激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用.docVIP

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 1
HGT - 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
HG T - 3 ( A,B ) 精密焊接工作台
, 如 图 1 所示。 该工作台 可与 MI G/ MA G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
16 0 14
245。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 ( P NE21 - 40 0P) 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( 1 A ~ 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 Ca n a d i a n P hot oni c Labs 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: CMO S 传感器, 触发方式为脉冲、 同步、手动、 连续, 操作环 境为 Wi ndo ws 2000 兼容 Wi n98/ X P, 分辨率400 400( 500f ps ) / 100
20( 25000f ps) , 曝光时 间 1
s/ 24ms, 记录时 间 1. 5s - 15s , 电 源 220VA C。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 2 3 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