激光在焊接電弧高速攝像技術(shù)中的應(yīng)用

1、精選文檔激光焊接電弧高速攝像技術(shù)中提要: 建立了以激光為背景光源的高速攝像系統(tǒng), 該系統(tǒng)包括焊接平臺(tái)、 焊接設(shè)備和攝像 裝置三部分。介紹 了電弧高速攝像 的關(guān)鍵技術(shù),包括光路的設(shè)計(jì)、 背景光源的選擇和弧光的消退等。利用此系統(tǒng)可在線觀測(cè)和監(jiān)控焊接過(guò)程。關(guān)鍵詞: 激光應(yīng)用; 電弧; 高速攝像 焊接電弧及熔滴過(guò)渡對(duì)焊接質(zhì)量的影響起打算作用, 因此, 對(duì)焊接電弧及熔滴過(guò)渡的爭(zhēng)辯始終 是焊接領(lǐng) 域的重要課題, 由于電弧燃燒時(shí)發(fā)出猛烈的光,肉眼無(wú) 法觀看, 必需借助于高速攝像機(jī)進(jìn)行觀 察。本文 建立了一套新的電弧 高速攝像系統(tǒng),特點(diǎn)是以激光作為背景光 源, 使用便利、成本低。重點(diǎn)介紹了高速攝像關(guān)鍵技術(shù)。1

2、 高速攝像系統(tǒng)組成高速攝像系統(tǒng)由三部分組成: 焊接平臺(tái): 焊接設(shè)備: 攝像裝置。1 . 1 焊接平圖 1 HGT - 3 ( A, B) 精密焊接工作臺(tái)焊接平臺(tái)接受已有的成都電焊機(jī) 爭(zhēng)辯所 的 HG T - 3 ( A,B ) 精密焊接工作臺(tái) , 如 圖 1 所示。 該工作臺(tái) 可與 MI G/ MA G焊機(jī)、 TIG 焊機(jī)、 微束等離子焊機(jī)組成全自動(dòng)環(huán)縫焊接系統(tǒng)和圓管縱縫焊接系統(tǒng)。在配備專用夾具時(shí), 還可以 進(jìn)行薄板對(duì)接焊接。工作臺(tái)可以對(duì) 320 以內(nèi) 的管子 進(jìn)行施 焊。試驗(yàn)管材如圖 2 所示, 其結(jié)構(gòu)尺寸為16 0 14 245。用三爪卡盤和尾座頂絲將管子對(duì)中固定, 調(diào)整焊矩 位置。通過(guò)

3、管子的周向轉(zhuǎn)動(dòng), 而焊矩位 置 固定來(lái)達(dá)到對(duì)管子環(huán)焊縫進(jìn)行施焊的目的。圖 2 試驗(yàn)管材1 . 2 焊接設(shè)備焊接設(shè)備接受北京時(shí)代科技股份有限 公司的產(chǎn) 品: WSM- 400 ( P NE21 - 40 0P) 數(shù) 控 脈 沖 氬 弧 焊 機(jī)。該 焊 機(jī) 是 基 于DSP、 模糊把握、 波形把握及自適應(yīng)把握技術(shù)的全數(shù) 字脈沖氬弧/ 直流氬弧焊機(jī)。具 有脈沖 氬弧、 直 流氬 弧、 氬弧 點(diǎn)焊、 手工焊 及簡(jiǎn)易氬弧焊五種焊接方式。牢靠性高, 電流 調(diào)整范圍廣( 1 A 400A) 。在結(jié)合焊接平臺(tái)具體操作時(shí) , 將焊 機(jī)的焊炬夾持在焊接平臺(tái)的 三維調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu) 上, 該 調(diào)整 機(jī)構(gòu)可 以在 ( x

4、,y , z ) 三個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整。這樣, 可以通過(guò)同心度檢 測(cè)來(lái)調(diào)整管子 和焊炬的相互位置。1 . 3 攝像裝置常見(jiàn)的高速 攝像 裝置由 四部 分組 成。( 1 ) 光源 部分, 由點(diǎn)光 源 或平 行 光 源 組 成。本 文 采 用 半 導(dǎo) 體 激 光 器, 波 長(zhǎng)650nm, 功率小于 80mW。( 2 ) 擴(kuò)束部分, 由顯微目鏡 及凸透鏡組成。( 3) 成像部分, 包括焊絲、 成像物 鏡、 小孔 光闌、 干涉濾光片 。( 4) 攝像部 分, 接受 Ca n a d i a n P hot oni c Labs 的彩 色數(shù)字高速攝像機(jī)。高速攝像 機(jī)包括 主機(jī)和 附件。主機(jī) 型號(hào) PLMS2

5、5k , 主要技術(shù)指標(biāo): CMO S 傳感器, 觸發(fā)方式為脈沖、 同步、手動(dòng)、 連續(xù), 操作環(huán) 境為 Wi ndo ws 2000 兼容 Wi n98/ X P, 辨別率400 400( 500f ps ) / 100 20( 25000f ps) , 曝光時(shí) 間 1 s/ 24ms, 記錄時(shí) 間 1. 5s - 15s , 電 源 220VA C。附件 包括 鏡頭, 圖像 采集卡, 專用驅(qū)動(dòng)軟件, 計(jì)算機(jī)等。2 焊接電弧高速攝像的關(guān)鍵技術(shù)為了獵取高質(zhì)量的焊接電弧圖像, 首先要對(duì)焊 接電弧及熔滴過(guò)渡行為 有比較深 入的 了解; 其次, 要 生疏 高速攝 像技術(shù); 第三, 拍攝 之前要對(duì)整個(gè)光路

6、進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)整1 。2 . 1 正確選擇光路參數(shù)圖 3 光路設(shè)計(jì)示意圖如圖 3 所示, 依據(jù)試驗(yàn)閱歷, a、 c 要盡量的小。 由于激光的相 干性, 光路中的污物簡(jiǎn)潔在底片上 產(chǎn)生干涉而 形成干涉花紋, 形成較大的光斑, 將嚴(yán)峻破壞所 攝取的圖 像質(zhì)量。b、 d為凸透鏡的的焦距, 也就是說(shuō), 透鏡 1 處于 透鏡 2 的焦 點(diǎn)上,小孔光闌處于透鏡 3 的焦點(diǎn)上。c 視情 況而定, 一般情 況下,放大率選 1 即可, 假如拍攝熔滴過(guò)渡, 放大率以 2 3 為宜。2 . 2 選擇激光作為背景光源由于電弧是一個(gè)高亮度輻射光源, 直接取像 看不到其內(nèi)部變化過(guò)程, 必 須接受 背光 技術(shù)取 像。對(duì)于 背

7、光 的要 求是,在高速攝像機(jī)處所接受 的光的 強(qiáng)度 必需至 少?gòu)?qiáng) 于電 弧本身的弧光。通常, 可選用的背光光源 有 2 類, 一 類是以氙 燈、 碘鎢燈為代表的點(diǎn)光源背光光源; 另一類 是以激光 為代表的平行光背光光源。圖 4 為兩種背光光源下的光路示 意圖。圖 4 不同背光源下的光路示意圖由于背 光光源為 點(diǎn)光 源( 如氙 燈、 碘 鎢燈) , 其自 身光強(qiáng)與距離的平方成反比, 與電弧類似, 因此, 必需利 用反射和透鏡聚焦作用, 使光源收斂, 以提高光源的 利用率。同時(shí), 其光譜選擇性比不上激光, 難以 利用 濾光 片衰減 弧光, 濾 除弧光的任務(wù)完全 由小孔光 闌來(lái) 擔(dān)當(dāng)。由 于背光 光

8、源 具有 肯定尺寸, 不能通過(guò)透鏡嚴(yán) 格聚焦 于一 點(diǎn), 因此光 闌小 孔直 徑也不能太小, 濾除 弧光的 作用是 有限的。加 大背光 功率, 提高背光/ 電弧光的比值是提高圖像效果的 首選途徑。 背光光源為平行光源( 一般為激 光) 時(shí), 由于 激光 為單色 平行 光源, 可以通過(guò)透鏡聚焦成一個(gè)很小的點(diǎn), 在光強(qiáng) 比的調(diào)整 上具有獨(dú)特的優(yōu)越性。 因此, 利 用 擴(kuò)束 和 聚焦 作用 能 夠拍 出視 場(chǎng) 較大的、 清 晰程度 較好的 畫(huà)面。由于 激光為 單色光, 使干 涉濾光片的選擇比較簡(jiǎn)潔, 可以使在高速攝像 成像處所 接受的光的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于電弧弧光, 同時(shí)還可以用小 孔光闌調(diào) 節(jié)弧光與背光的

9、比例。激光為背光不足之處是由于激 光的相干性, 光路中的污物 ( 如鏡頭上的灰塵等) 簡(jiǎn)潔 在底片上 產(chǎn)生干 涉而形成干涉花紋, 形成較 大的光 斑, 將嚴(yán) 重破壞 所攝 取的 圖像質(zhì)量。因此, 以激光為背光時(shí), 鏡頭污物的清理尤為重要2 。圖5a TIG 電弧圖像( 無(wú)背景激光) 圖 5 b TIG 電弧圖像( 有背景激光)當(dāng)不用激光作為背景光源時(shí), 拍攝的 圖像如 圖 5a 所示,此時(shí), 只看到鐘罩形的電弧圖像, 看不到鎢極。當(dāng)接受激光作為背景光源時(shí), 拍攝的圖 像如圖 5 b 所示,此時(shí) , 除看到鐘罩形的電弧圖像外, 還可看到鎢極的形貌。2 . 3 利用小孔光闌濾掉弧光在熔滴過(guò)渡高速攝

10、像中, 弧光與背 光的亮度應(yīng) 該有一個(gè)合 適的比 例, 如 果背光 太弱, 熔滴 就顯示 不出來(lái)。僅 靠調(diào)整曝光 參數(shù)或加濾光片的普 通攝 影方 法無(wú)法 滿足 兩者的 亮度比例 要求, 接受小孔 光闌技 術(shù), 是提 升電弧 圖像 清楚度 的較好辦 法。小孔光闌濾掉弧光的原理是, 電弧 光的波長(zhǎng)分 布在從紫外到 紅外的很寬范圍內(nèi), 而 在某 一波長(zhǎng) 上其 強(qiáng)度 不肯定 高。因此 , 功率不大的激光器發(fā)出的激光亮 度就可能超 過(guò)電弧中對(duì)應(yīng) 波長(zhǎng)的弧光。激光為單一波長(zhǎng)平行光, 經(jīng)擴(kuò)束 后為近似平行 光束, 當(dāng)投射到 成像物 鏡上 時(shí), 透鏡將 此平 行光束 在其焦點(diǎn)位置會(huì)聚 為一點(diǎn), 并順 利地 通

11、過(guò)小 孔光 闌; 而電弧 光則是球面光, 在成 像 物鏡 的焦 點(diǎn) 處則 形成 一 個(gè)一 定大 小 的光斑, 其中僅有小孔部分通過(guò)光闌, 其余部分被 阻擋, 從而達(dá)到衰減 弧光的目的。同時(shí)弧光是球面波, 其強(qiáng)度與距 離的平方成反比地快速 衰減, 激光經(jīng) 擴(kuò)束 后是接 近平 行的光 束, 光強(qiáng)幾 乎與距 離無(wú)關(guān), 增大 拍攝距 離, 可使弧 光消退得 更多。通過(guò)上 述措施衰減電弧光, 在攝像機(jī)中便 可獲得熔滴 過(guò)渡的清楚陰影像。圖 6a 是沒(méi) 用小 孔光 闌的 圖像, 電 弧圖 像清 晰可見(jiàn);圖 6b 是利用小孔 光闌 的圖 像, 電 弧圖 像被 濾掉, 清 晰可見(jiàn)鎢 極及焊 絲。圖 6 c 是

12、 MI G 焊熔 滴過(guò)渡, 接受 氬氣保 護(hù)焊接銅 板, 接受銅焊絲。由圖 6c 可以看出 下方鐘 罩形的電 弧,沖向 熔池的熔滴。3 高速攝像系統(tǒng)的特點(diǎn)高 速 攝 像 機(jī) 采 用 C MOS 傳 感 器。 C MO S ( Compl eme nt a ryMe t a l O xi de Se mi co ndu c t or) 即 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 。它是計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片, 保存了 系統(tǒng)引導(dǎo)所 需的大量資料。從技術(shù) 的角 度比 較, C MO S 與 CCD 相 比較, 在 信 息讀取方 式、 速度和電源及耗電量三個(gè)方面都具有優(yōu)勢(shì)。以前的高速攝影, 拍攝參數(shù)多、 操作簡(jiǎn)單, 必需 請(qǐng)專業(yè)人員拍攝和沖洗 才能達(dá)到 預(yù)期 效果, 做一 次實(shí) 驗(yàn), 需投入 較多的 人力、 物力, 試驗(yàn) 成本很 高