激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用.docx

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
,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(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。
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