激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用.docx

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激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用

激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用（总6页）

激光焊接电弧高速摄像技术中

提要:

建立了以激光为背景光源的高速摄像系统,该系统包括焊接平台、焊接设备和摄像装置三部分。

介绍了电弧高速摄像的关键技术,包括光路的设计、背景光源的选择和弧光的消除等。

利用此系统可在线观测和监控焊接过程。

关键词:

激光应用;电弧;高速摄像

焊接电弧及熔滴过渡对焊接质量的影响起决定作用,因此,对焊接电弧及熔滴过渡的研究始终是焊接领域的重要课题,由于电弧燃烧时发出强烈的光,肉眼无法观察,必须借助于高速摄像机进行观察。

本文建立了一套新的电弧高速摄像系统,特点是以激光作为背景光源,使用方便、成本低。

重点介绍了高速摄像关键技术。

1高速摄像系统组成

高速摄像系统由三部分组成:

焊接平台:

焊接设备:

摄像装置。

1.1焊接平

图1HGT-3（A,B）精密焊接工作台

焊接平台采用已有的成都电焊机研究所的HGT-3（A,B）精密焊接工作台,如图1所示。

该工作台可与MIG/MAG焊机、TIG焊机、微束等离子焊机组成全自动环缝焊接系统和圆管纵缝焊接系统。

在配备专用夹具时,还可以进行薄板对接焊接。

工作台可以对320以内的管子进行施焊。

实验管材如图2所示,其结构尺寸为16014245。

用三爪卡盘和尾座顶丝将管子对中固定,调节焊矩位置。

通过管子的周向转动,而焊矩位置固定来达到对管子环焊缝进行施焊的目的。

图2实验管材

1.2焊接设备

焊接设备采用北京时代科技股份有限公司的产品:

WSM-400（PNE21-400P）数控脉冲氩弧焊机。

该焊机是基于DSP、模糊控制、波形控制及自适应控制技术的全数字脉冲氩弧/直流氩弧焊机。

具有脉冲氩弧、直流氩弧、氩弧点焊、手工焊及简易氩弧焊五种焊接方式。

可靠性高,电流调节范围广（1A~400A）。

在结合焊接平台具体操作时,将焊机的焊炬夹持在焊接平台的三维调节机构上,该调节机构可以在（x,y,z）三个方向进行调节。

这样,可以通过同心度检测来调整管子和焊炬的相互位置。

1.3摄像装置

常见的高速摄像装置由四部分组成。

（1）光源部分,由点光源或平行光源组成。

本文采用半导体激光器,波长650nm,功率小于80mW。

（2）扩束部分,由显微目镜及凸透镜组成。

（3）成像部分,包括焊丝、成像物镜、小孔光阑、干涉滤

光片。

（4）摄像部分,采用CanadianPhotonicLabs的彩色数字高速摄像机。

高速摄像机包括主机和附件。

主机型号PLMS25k,主要技术指标:

CMOS传感器,触发方式为脉冲、同步、手动、连续,操作环境为Windows2000兼容Win98/XP,分辨率400400（500fps）/10020（25000fps）,曝光时间1s/24ms,记录时间1.5s-15s,电源220VAC。

附件包括镜头,图像采集卡,专用驱动软件,计算机等。

2焊接电弧高速摄像的关键技术

为了获取高质量的焊接电弧图像,首先要对焊接电弧及熔滴过渡行为有比较深入的了解;其次,要熟悉高速摄像技术;第三,拍摄之前要对整个光路进行仔细的调整1。

2.1正确选择光路参数

图3光路设计示意图

如图3所示,根据试验经验,a、c要尽量的小。

由于激光的相干性,光路中的污物容易在底片上产生干涉而形成干涉花纹,形成较大的光斑,将严重破坏所摄取的图像质量。

b、d为凸透镜的的焦距,也就是说,透镜1处于透镜2的焦点上,小孔光阑处于透镜3的焦点上。

c视情况而定,一般情况下,放大率选1即可,如果拍摄熔滴过渡,放大率以23为宜。

2.2选择激光作为背景光源

由于电弧是一个高亮度辐射光源,直接取像看不到其内部变化过程,必须采用背光技术取像。

对于背光的要求是,在高速摄像机处所接受的光的强度必须至少强于电弧本身的弧光。

通常,可选用的背光光源有2类,一类是以氙灯、碘钨灯为代表的点光源背光光源;另一类是以激光为代表的平行光背光光源。

图4为两种背光光源下的光路示意图。

图4不同背光源下的光路示意图

由于背光光源为点光源（如氙灯、碘钨灯）,其自身光强与距离的平方成反比,与电弧类似,因此,必须利用反射和透镜聚焦作用,使光源收敛,以提高光源的利用率。

同时,其光谱选择性比不上激光,难以利用滤光片衰减弧光,滤除弧光的任务完全由小孔光阑来承担。

由于背光光源具有一定尺寸,不能通过透镜严格聚焦于一点,因此光阑小孔直径也不能太小,滤除弧光的作用是有限的。

加大背光功率,提高背光/电弧光的比值是提高图像效果的首选途径。

背光光源为平行光源（一般为激光）时,由于激光为单色平行光源,可以通过透镜聚焦成一个很小的点,在光强比的调节上具有独特的优越性。

因此,利用扩束和聚焦作用能够拍出视场较大的、清晰程度较好的画面。

由于激光为单色光,使干涉滤光片的选择比较容易,可以使在高速摄像成像处所接受的光的强度远高于电弧弧光,同时还可以用小孔光阑调节弧光与背光的比例。

激光为背光不足之处是由于激光的相干性,光路中的污物（如镜头上的灰尘等）容易在底片上产生干涉而形成干涉花纹,形成较大的光斑,将严重破坏所摄取的图像质量。

因此,以激光为背光时,镜头污物的清理尤为重要2。

图5aTIG电弧图像（无背景激光）图5bTIG电弧图像（有背景激光）

当不用激光作为背景光源时,拍摄的图像如图5a所示,此时,只看到钟罩形的电弧图像,看不到钨极。

当采用激光作为背景光源时,拍摄的图像如图5b所示,

此时,除看到钟罩形的电弧图像外,还可看到钨极的形貌。

2.3利用小孔光阑滤掉弧光

在熔滴过渡高速摄像中,弧光与背光的亮度应该有一个合适的比例,如果背光太弱,熔滴就显示不出来。

仅靠调整曝光参数或加滤光片的普通摄影方法无法满足两者的亮度比例要求,采用小孔光阑技术,是提升电弧图像清晰度的较好办法。

小孔光阑滤掉弧光的原理是,电弧光的波长分布在从紫外到红外的很宽范围内,而在某一波长上其强度不一定高。

因此,功率不大的激光器发出的激光亮度就可能超过电弧中对应波长的弧光。

激光为单一波长平行光,经扩束后为近似平行光束,当投射到成像物镜上时,透镜将此平行光束在其焦点位置会聚为一点,并顺利地通过小孔光阑;而电弧光则是球面光,在成像物镜的焦点处则形成一个一定大小的光斑,其中仅有小孔部分通过光阑,其余部分被阻挡,从而达到衰减弧光的目的。

同时弧光是球面波,其强度与距离的平方成反比地迅速衰减,激光经扩束后是接近平行的光束,光强几乎与距离无关,增大拍摄距离,可使弧光消除得更多。

通过上述措施衰减电弧光,在摄像机中便可获得熔滴过渡的清晰阴影像。

图6a是没用小孔光阑的图像,电弧图像清晰可见;图6b是利用小孔光阑的图像,电弧图像被滤掉,清晰可见钨极及焊丝。

图6c是MIG焊熔滴过渡,采用氩气保护焊接铜板,采用铜焊丝。

由图6c可以看出下方钟罩形的电弧,冲向熔池的熔滴。

3高速摄像系统的特点

高速摄像机采用CMOS传感器。

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）即互补金属氧化物半导体。

它是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导所需的大量资料。

从技术的角度比较,CMOS与CCD相比较,在信息读取方式、速度和电源及耗电量三个方面都具有优势。

以前的高速摄影,拍摄参数多、操作复杂,必须请专业人员拍摄和冲洗才能达到预期效果,做一次实验,需投入较多的人力、物力,实验成本很高。

而本高速摄像系统一次成本投入后,重复实验的成本很低,操作简单,拍摄的图像直接存储到计算机里。

总之,建立了以激光为背景光源的高速摄像系统,该系统包括焊接平台、焊接设备和摄像装置三部分。

介绍了电弧高速摄像的关键技术,包括光路的设计、背景光源的选择和弧光的消除等。

得到了清晰的高速摄像图片,满足了焊接试验分析和判断的需要。