焊接电弧高速图像采集

第 1 7卷

第4期

北京石油化工学院学报Jo urn al of B ei iing Insti tu te o fP e tr o一 e h e m iea l T e eh n o l o gy

V o l. 1 7

N o.4

20 09年 12月

D ee.2009

焊接电弧高速图像采集乔慧娟, 2焦向东2周灿丰2赵华夏2 3,(1 .中国石油大学 (北京),北京 102 24 9; 2.北京石油化工学院,北京 10 26 17; 3.北京化工大学,北京 100 02 9 )

摘

要

为采集焊接电弧图像和观察熔滴过渡过程,采用焊接电弧高速摄像关键技术(包括

背光技术光学放大率和高速摄像参数的选择 ),建立了以激光为背光光源的高速摄像系统高参考价值关键词焊接;高速摄像;电弧图像T G l l5. 28中图法分类号

利用此系

统可以在线观测和监控焊接过程,其结果对焊电弧现象以及 M IG焊熔滴过渡过程的高速摄像技术有较

焊接电弧直接影响焊接质量,对焊接电弧的研究始终是焊接领域的重要课题同时发出强烈的弧光进行实验观察川焊接电弧是一种无规律的急剧变化着的气体放电现象,因此,焊接电弧现象无法用肉眼直接观察 ! #,必须借助于高速摄像来高速摄像技术是一种先进的测试手段,它能把一个高速的运动过程或高速瞬变过程的空间信息和时间信息.记录下来

要技术指标:C M O S传感器,触发方式为脉冲同步手动连续,操作环境为 w i n d o ws 2 0 0兼容 W in98/X P,分辨率为 40 0 X 40 0 (500 fp s)/IOo X Z o (25 000 fps ),曝光时间 1拼 s一 24 m s,

记录时间 1.5一15 5,电源 22O V (A C )

附件包

括镜头图像采集卡专用驱动软件计算机等

2

工作原理电弧光的波长分布在从紫外到红外的很宽

1

高速摄像装置采集 T IG焊电弧图像的摄像装置光路示

范围内,而在某一波长上其强度不一定高川因此,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图 1摄像装置的基本原理是,通过透镜 1和透镜 2将光斑直径较小的激光束扩展成为光斑直径较大的近似平行的光束,当其照射到焊

意图如图 1所示

母材

透镜 1

接电弧后,高速摄像机即可摄取带有背光的焊接电弧图像不同于以往的激光背光电弧图像采集系统,该系统去掉了摄像机前面用以滤除弧光的小孔及成像屏,而是在高速摄像机镜头前直接加装滤光镜组来实现滤除弧光的效果,从而简

图l

高速摄像装置及其光路图

高速摄像装置由三部分组成:( 1 )光源部分,由点光源或平行光源组成行光源实验中

采用平背光光源使用的是波长为 6 5 0 nm的即透镜 1和透镜

半导体激光器,功率为 8 0 m w; (2 )扩束部分,由显微目镜及凸透镜组成

化了光路,使系统具有更好的环境适应能力高速摄像机镜头上加滤光片主要是基于以下两个方面的考虑:首先,可调减光镜用以削减

2;( 3 )摄像部分,实验中采用 C anad i an P hot n o i L ab S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 C P L一 M S2 5 k,主收稿日期:2009一 05一 27

弧光及背光的光强,避免摄像机过饱和;其次,选用滤光镜组合,可以滤掉大部分弧光,只保留

背光波长附近波段的光信号

第4期

乔慧娟等 .焊接电弧高速图像采集择在 2~ 3之间川,以肉眼能够观察清楚成像屏上阴影像焊枪端部钨极细节为宜 3 .3恰当选择摄像参数使用数字高速摄像机进行摄像时,最重要的摄像参数主要有图像分辨率图像增益值曝光时间及摄像速度,这些参数可通过高速摄像机自带软件控制,摄像参数既可单独设定,同时又相互关联低摄像速度图像分辨率选择过大,会直接降曝光时间的选择也很重要,曝光而摄像速度一般也不

此外,镜头上还需加带颜色的滤光片,以滤掉一些杂光,方便观察 T IG焊电弧的形态行为和熔池形态

同

时也可用于更好的观察脉冲 M IG焊熔滴过渡

3

焊接电弧摄像关键技术高质量焊接电弧图像的拍摄首先需要对焊

接电弧有比较深人的了解;其次,熟悉高速摄像技术;第三,拍摄之前对整个光路进行仔细调整

时间过短,图像的亮度及对比度下降,曝光时间背光技术

3.1

过长则会降低摄像速度应该太低定这些摄像参数

由于焊接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,对背光的要求是高速摄像机所接受的光强度必须至少强于电弧本身的弧光质量

所以,实验时要根据具体情况来确

背光

44. 1

焊接电弧的高速摄像效果不同滤光镜的拍摄效果

及其光路的选用和配合直接影响高速摄像实验中选用的是以激光加扩束系统为代表的平行光背光光源,由于激光为单色平行光源,

利用高速摄像装置根据拍摄对象具体情况和实验条件拍摄的高速摄像图片如图 2所示不同滤光镜情况下的拍摄效果见表 1表 1图片位置

在光强比的调节上具有独特的优越性较

好的画面

因此,

不同滤光镜下的拍摄效果背光无

利用扩束作用能够拍出视场较大的清晰程度也正因为激光为单色光,使滤光片的选择比较容易,可以使高速摄像机所接受的光强度远高于电弧弧光激光作为背光光源的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 )容易在感光元件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巨 4j

滤光片颜色

可调滤光片

无滤光片深紫淡紫同色嫩绿深绿

有

激光激光J e U L g几, r

激光

激光激光激光激光激光激光激光

橙色棕色红色黄色 (大 )黄色 (小 )

3.2

正确选择放大率

经过比较发现:没有激光背光光源时拍摄

焊接电弧属于微小物体,为了能够在屏幕上清晰地观看到所摄取的焊接电弧动态过程的

的图片只看到钟罩形电弧图像,看不到钨极,如图 2 (a )所示而当有激光做背光光源时,拍摄的图片如图 2 (b)~图 2 (k )所示,即可看到钟罩

细节,首先应对其阴影像进行光学放大,因此须正确选择放大率若放大率太小,则不利于观察清楚细节;若放大率太大,则对背光的亮度及均匀性都有较高的要求,而且物距与焦距比较接近,调焦困难,容易使成像模糊

形电弧图像,还可看到钨极形态图 2(b )一图 2 (k )是采用不同颜色滤光片

所拍摄的图像,其中图 2 ( )图 2 (d )图 2 (e )可以看到钨极形态,但不是很清楚,而图 2 (f)一图 2 (k )相对来说钨极形态看的更清楚些 4.2针对熔滴过渡所获得的拍摄效果

放大率的选择一般应考虑平行激光束的大小激光的强度焊丝直径等因素,同时还要考

虑摄像机的图像分辨率曝光时间最高摄像速度视角拍摄距离及进光量等要求

根据单个不同滤光片所获得的电弧图像效果,结合背光情况,进行大量实验对比,系统最终确定了一组滤光镜组合,图 3是选取红色加可变加同色滤光镜组,利用高速图像采集系统

若摄像机的分辨率较低,则光学放大率可选择大些,反之则可选择小些,一般放大率应选

北京石油化工学院学报

2009年第 17卷

图2

T IG焊电弧高速摄像

所拍摄的脉冲 M IG焊熔滴过渡行为图片,图中类似水滴的黑色部分就是熔滴图 3所示为一

率和高速摄像参数的选择进行了介绍,建

立了 T IG焊接电弧高速摄像装置,并进行了实验

个脉冲所形成的熔滴在推力以及自身重力的作用下脱离焊丝向熔池过渡的过程,由于脉冲瞬间电流较高,因此该图中熔滴过渡过程为典型

(1 )焊接电弧高速摄像采用背光技术有助于消除弧光对电弧内部细节的干扰

(2 )焊接电弧的高速摄像具有很多特殊性,需要根据拍摄对象的具体情况和试验条件来选择合适的拍摄方案

的射滴过渡

由此可见通过该高速摄像装置可

以清楚的观察到熔滴过渡行为

(3 )结合前人提出的电弧图像采集方案,取各方案之所长,建立了激光背光加扩束系统

加滤光镜组合加高速摄像机的图像采集系统,较以前的采集系统简化了光路,提高了系统的金属熔滴

环境适应能力,同时也提高了电弧轮廓拍摄和熔滴过渡拍摄转换的灵活性(4 )通过反复试验,建立了适合本系统的滤

光镜组,利用该滤光镜组可以清晰的拍摄到焊接电弧高速图像和脉冲 M IG焊熔滴过渡过程,简化了熔滴过渡拍摄技术图3熔滴过渡高速摄像图片

(5 )高速摄像装置也可用于拍摄脉冲 M IG焊熔滴过渡行为,对熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高速摄影技术有较高的参考价值

5

结

论

对焊接电弧高速摄像背光技术光学放大

第4期

乔慧娟等 .焊接电弧高速图像采集

7 4

过渡过程的高速摄影[J] .中国机械工程, 20 02,

参考文献- 0 F L I一 j门八白 1工 J s e

13 (9 ):7 96一 7 97 .

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技术及其同步装置仁] .电焊机, 200 J 3, 3 (1 ):1 1一 12 .

[M#.北京:机械工业出版社, 198 5:34 1~34 8 .唐慕尧.焊接测试技术[ M# .北京:机械工业出版社, 1 988:3 21一 3 3 1.

! 5#刘占民,李明利,薛13 1一 134 .

龙.熔化极电弧焊熔滴过渡

过程的高速摄像 ! J# .激光与红外, 200 6,3 6 (2):

李

桓,李国华,李俊岳,等.熔化极电弧焊熔滴

H ig h一 sP e ed Im a g e C o lle ctio n o f W eld in g A r c

Q iao H u i iuan,2

Jiao X i ang dongZ

Z h ou C anfen gZ

Z hao H uaxiaZ, 3

(1. C h in a肠Ziv ersit夕 of P etro一 leum, B ei j ing 10 2249, C hina;

2. B ei j ing In stitu te of P etro一 chem ica l T eeh n olog夕, B eijing 1026 17, C h ina;3. B e行艺 ng U n iv e rsit夕of C hem ica l T ech nolog夕, B ei j ing 1000 29, C h艺 na )A b str a ct In o rd e r to eo llee t w eld i n g a re im a g e s a n d to o b se rv e d ro p le t tr an sfer p ro e es s, b y

u sin g

th e k e y te eh n o lo g ie s o f h ig h一 sp ee d i m ag e p ie k u p, s u e h as b a ek lig h t te eh n o l o g y, o p tie a l m a g n ifiea ti o n a n d th e s e leetio n o f h ig h一 sp e e d v ed io p a ra m e ter s, a v a lu a b le h i g h一 sp ee d v id e o sy stem w ith

la se r as b a ek lig h t 15 es ta b lish ed . O n lin e o b s erv a tio n a n d m o n ito rin g o f w e ld in g p ro e e ss a re re a lize d w ith th e sy s te m . T h e re su lts o f th is w o r k e an e ffee tiv e ly h e lp th e fu r th e r stu d y o f h ig h一 speed tee h n o lo g y fo r th e p h en o m e n o n o f a re w eld i n g a n d d ro p le t tra n s fe r in M IG w ie ld in g p ro ee ss .

K e y w o rd s

w eld i ng; hi g h一 sp e ed v id e o; a re i m ag e

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