激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用

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5a TIG 电弧图像( 无背景激光) 图 5 b TIG 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 5 b 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 * 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 6 c 是 MI G 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 C MOS 传 感 器。 C MO S ( Compl eme nt a ryMe t a l O xi de Se mi co ndu c t or) 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, C MO S 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。