CN109926693B - 一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***及检测方法，属于水下焊接过程检测领域，步骤包括如下：设置高速相机参数，调整高速相机位置；调整激光参数与位置；调整镝灯参数与位置；开始焊接，同时打开图像和电信号采集软件，通过计算机对焊接过程进行实时检测，并选择性的储存。仅使用两个背景光源配合高速摄像技术，无需其他复杂的设备，采集的图像信号以及焊接电信号通过数据采集卡传输到计算机中，通过计算机对湿法焊接熔滴过渡、气泡行为过程进行同步视觉检测，采集到的图像信息更加容易的分析气泡动态变化对熔滴过渡的影响机制，可深入揭示水下湿法焊接复杂的物理过程。

Description

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***及检测方法，属于水下焊接过程检测领域。

背景技术

水下湿法焊接过程中，由于作业环境特殊，其冶金过程、传质传热过程与陆上焊接相比均发生了很大的改变，由于电弧区域与水环境之间的持续相互影响，水下湿法燃烧空间的大小、内压都是不断变化的，同时在气泡内的大温度梯度、复杂气体组分、快速冷却条件等因素的作用下，导致其内部的电弧区域持续发生复杂的物理作用，熔滴过渡过程等相对于空气中焊接发生了显著变化。目前，水下湿法焊接气泡行为对熔滴过渡的影响机制尚未明确，严重制约了焊接冶金机理，焊接过程控制方面的研究。要实现连续稳定的焊接过程，保证焊接质量，必须采用高速摄像技术对焊接过程熔滴过渡、气泡行为以及电弧行为进行视觉检测。

目前针对水下焊接视觉检测方法主要有高速相机配合滤波片，外加LED光源，比如中国专利文件(申请号201220561416.7)公开了水下湿法焊接实时监控***，但由于水下焊接烟尘大，气泡折射等因素，普通相机仅能捕捉到水下湿法焊接过程中的电弧形态，很难观测到熔滴过渡过程，无法深入研究气泡行为对于熔滴过渡的影响机制。外部背景光源的选取对获取清晰的熔滴过渡图像十分重要。中国专利文件(申请号201610148709.5)公开了一种模拟水下焊接熔滴过渡的实时监测装置及监测方法，利用X射线检测熔滴过渡也是一种常见的检测熔滴过渡的方法，该方案是利用X射线成像，可以克服光线、气泡等干扰因素，但仅能观测到其熔滴过渡过程，对于水下焊接，研究气泡行为对于熔滴过渡的影响机制是十分有意义的，且气泡行为对熔滴过渡的影响巨大，抛开气泡仅讨论熔滴过渡，无法全面揭示水下焊接的物理过程。

发明内容

针对现有技术的不足，通过实时监测熔滴过渡和气泡行为规律，为提高焊接过程稳定性和实现闭环控制提供重要支撑，研究深入水下湿法焊接中气泡行为对熔滴过渡的作用机理，本发明提供一种熔滴过渡、气泡行为同步视觉检测方法。为了消除弧光的干扰，采用波长为808nm的激光器以及直径为0.5m的镝灯作为背景光源，采用光学相机搭配滤光片，搭载高速摄像采集***，实现对焊接区域熔滴过渡、气泡行为的同步视觉检测。

本发明的技术方案如下：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***，包括焊接***，焊接***包括焊枪和待焊工件，焊枪位于待焊工件的上方，待焊工件两侧设有镝灯和高速相机，高速相机的镜头前方设有滤光片，镝灯、待焊工件、高速相机位于同一水平面，焊枪一侧倾斜设有激光器，激光器为波长为808nm的激光器。

优选的，滤光片为波长是808nm的带通滤光片。以滤除作为弧光主要组成部分的蓝紫光。

进一步优选的，高速相机的镜头与滤光片之间通过螺纹连接。

优选的，高速相机配有图像采集卡，图像采集卡与计算机相连。可通过计算机调整高速相机的参数。

优选的，镝灯与激光器在焊枪的同一侧，镝灯光源中心、焊丝末端、高速相机的镜头中心三点同轴共线。由于滤光片的作用，在没有镝灯光源时，高速相机仅能拍摄到激光束照射的区域，无法看到整个气泡的周期变化；加上镝灯光源时，相机拍摄到的区域都被照亮，并与激光配合，同步检测熔滴过渡、气泡行为的周期变化。

一种利用上述水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)、设置高速相机的参数，所述高速相机的参数包括光圈大小、曝光时间、采集帧率、分辨率；调整高速相机位置，对焦，使计算机屏幕出现焊丝末端图片；

步骤(2)、调整激光参数与位置，包括激光强度、激光照射角度；

步骤(3)、调整镝灯参数与位置，包括镝灯亮度、与待焊工件相距的距离；

步骤(4)、开始焊接，同时打开图像采集软件和电信号采集软件，通过计算机对熔滴过渡、气泡行为实时检测，并选择性的储存。

优选的，所述步骤(1)中，在对焦时，先将滤光片摘下，待找到清晰图像时将滤光片装回。

进一步优选的，相机的采集帧率由曝光时间和图像分辨率确定，曝光时间越小、图片分辨率越小，采集帧率越高，曝光时间越长，进入镜头的光越多，采集到的图像就越亮，由于弧光较强，应尽可能将曝光时间调低至50ms以下，来克服强烈的弧光干扰，避免过曝。

优选的，所述步骤(2)中，激光位于焊枪的另一侧，将激光束照射在熔滴过渡的位置，激光束与水平面角度在45°-75°之间。应避免激光束直接照射镜头，会损坏相机感光元件。

进一步优选的，所述步骤(2)中，激光照射强度越高，反射到镜头的光越强，激光强度在4-8之间。同时避免照射皮肤和眼睛，以防造成伤害。

优选的，所述步骤(3)中，镝灯从通电到最大亮度需要一段时间，且会释放大量热量，应避免反复开关，且工作一段时间后应关闭冷却，镝灯上的调光旋钮用以改变镝灯的亮度，调节镝灯亮度实际改变的是镝灯的功率，亮度调节范围为最大亮度的50％-80％，即总功率的50％-80％；镝灯与待焊工件的水平距离在0.5m-1m之间，均可照亮高速相机的整个采集画面。高速相机焦距越长，其视角就越小，应保证气泡、熔滴、导电嘴均在同一画面内，且画面尺寸合适，调整高速相机与待焊工件距离在1.5m-2m之间。

优选的，所述步骤(4)中，图像采集软件与高速相机配套，电信号的采集是基于虚拟仪器LabVIEW，并配合霍尔传感器来实现。

进一步优选的，所述步骤(4)中，启动焊接前先打开图像采集软件和电信号采集软件开始采集，避免漏掉起弧瞬间重要的图像和电信号信息。

利用高速光学相机进行水下焊接的视觉检测可以对其物理过程进行全面的分析，背景光源的选取以及光路设计对获取清晰的图像影响巨大。在前期实验中，利用光谱仪获取了水下焊接光谱特征，发现波长在620-840nm阶段的红光和近红外光有相对稳定的辐射强度。基于前期实验，本发明选择波长为808nm的激光器，利用激光照射焊接区域，可以轻松的消除强烈的电弧干扰，获取清晰的熔滴图像，仅利用现有技术中LED光源是无法克服弧光干扰的。激光束照射区域较小，滤光片的作用导致激光照射以外部分视野很暗，因此，本发明又添加镝灯作为背景光源，镝灯利用充入的碘化镝、碘化亚铊、汞等物质发出其特有的密集型光谱，光效高、显色性好、亮度高，可以将摄像机拍摄到的区域全部照亮，可以轻松的检测到气泡的整个周期变化，进而实现了熔滴过渡、气泡行为的同步视觉检测。

本发明提出的同步检测方法，利用激光和镝灯两个背景光源配合高速摄像，可清晰的观察到熔滴和气泡的动态变化，利用该方法，可更全面的获取水下湿法焊接中丰富的熔滴过渡、气泡行为规律，更加容易的分析气泡动态变化对熔滴过渡的影响机制，可深入揭示水下湿法焊接复杂的物理过程。

本发明不仅适用于水下湿法焊接熔滴过渡、气泡行为的同步检测，还适用于空气中的熔化极气体保护焊、空气中的非熔化极气体保护焊、空气中的等离子弧焊、空气中的焊条电弧焊的熔滴过渡检测。同时，受环境影响小，实用性广，可适用于大部分熔化极气体保护焊熔滴过渡的视觉检测，成像质量高，光学高速摄像技术已经非常成熟，适合推广。

本发明的有益效果在于：

本发明是基于水下湿法中焊接复杂的焊接环境提出的一种熔滴过渡、气泡行为同步视觉检测方法，该方法实施简便，无需复杂的操作步骤，仅用两个背景光源即可实现。该发明为深入研究水下湿法焊接熔滴过渡、气泡行为的动态变化提供了重要手段，利用该方法，可深入揭示气泡动态变化对熔滴过渡的影响机制。

与现有的技术相比，本方案有着较为明显的优点，不需要复杂的设备，不用干预水下湿法焊接过程，仅用两个背景光源配合高速摄像技术，即可轻松的获取水下湿法焊接丰富的物理信息。利用该方法，可全面深入的研究气泡对熔滴的作用机制，为熔滴过渡、气泡行为的一体化调控提供强有力的手段。

附图说明：

图1为本发明水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***示意图，水平虚线表示镝灯光源中心、焊丝末端、高速相机的镜头中心三点同轴共线；

图2-1为短路过渡过程的视觉检测效果图；

图2-2为大滴排斥过渡过程的视觉检测效果图；

其中：1、气泡，2、熔滴，3、焊丝，4、镝灯，5、激光器，6、焊枪，7、玻璃水箱，8、滤光片，9、高速相机。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***，包括焊接***，焊接***包括焊枪和待焊工件，焊枪位于待焊工件的上方，待焊工件两侧设有镝灯和高速相机，高速相机的镜头前方设有滤光片，高速相机的镜头与滤光片之间通过螺纹连接，镝灯、待焊工件、高速相机位于同一水平面，焊枪一侧倾斜设有激光器，激光器为波长为808nm的激光器。滤光片为波长是808nm的带通滤光片。以滤除作为弧光主要组成部分的蓝紫光。

高速相机配有图像采集卡，图像采集卡与计算机相连。

镝灯与激光器在焊枪的同一侧，镝灯光源中心、焊丝末端、高速相机的镜头中心三点同轴共线。

实施例2：

一种利用实施例1所述水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)、设置高速相机的参数，本实施例中设置曝光时间30ms，分辨率1024*1024，高速相机的采集帧率为2000帧/s。高速相机与焊接区域位于同一高度，镜头上旋有波长为808nm的带通滤光片，滤除作为弧光主要组成部分的蓝紫光。在对焦时，先将滤光片摘下，待找到清晰图像时将滤光片装回。

步骤(2)、调整激光参数与位置。激光照射强度越高，反射到镜头的光越强，激光强度在4-8之间，本实施例中设置激光强度为5。激光位于水箱的另一侧，将激光束照射在熔滴过渡的位置，与水平面角度45-75°之间，应避免激光束直接照射镜头，会损坏相机感光元件。本实施例中设置激光入射角度为60°。

步骤(3)、调整镝灯参数与位置。镝灯位于激光同侧，由于滤光片的作用，在没有镝灯光源时，相机仅能拍摄到激光束照射的区域，无法看到整个气泡的周期变化；加上镝灯光源时，相机拍摄到的区域都被照亮，并与激光配合，同步检测熔滴过渡、气泡行为的周期变化，设定镝灯的亮度为最大亮度的70％。本实施例中设置镝灯距离待焊工件的焊接区域为0.5m，且镝灯光源中心、焊丝末端、高速相机的镜头中心三点同轴共线。镝灯从通电到最大亮度需要一段时间，且会释放大量热量，应避免反复开关，且工作一段时间后应关闭冷却。本实施例中镝灯工作周期为半小时，停歇10分钟后可继续工作。调整高速相机与待焊工件距离为1.5m。

步骤(4)、开始焊接，同时打开图像采集软件和电信号采集软件，通过计算机对熔滴过渡、气泡行为实时检测，并选择性的储存。图像采集软件与相机配套，电信号的采集是基于虚拟仪器LabVIEW，并配合霍尔传感器来实现。启动焊接前应先打开采集软件，并开始采集，避免漏掉起弧瞬间重要的图像和电信号信息。本实施例中先启动电信号采集软件，随后启动图像信号采集软件，最后启动焊接。

由于是水下湿法焊接，采用了自保护药芯焊丝进行焊接，因此焊接的过程中不需要通入保护气。焊接采用自动焊，水深方面没有太大的影响，本实施例的操作环境为在浅水玻璃水箱条件下进行，如图1所示。

本方法采用传统光学相机搭配滤光片，配合两个背景光源即可实现对水下湿法焊接熔滴过渡、气泡行为的同步视觉检测，设备简单，成像质量高，检测到的熔滴、气泡效果图如图2-1、图2-2所示，可清晰看清焊丝、熔滴、气泡等部件；受焊接环境影响小，适用性广，适合绝大部分熔化焊熔滴过渡的检测，采集频率高，操作方便。

实施例3：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(1)中设置曝光时间50ms。

实施例4：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(2)中，调整激光参数与位置，设置激光强度为4，激光位于水箱的另一侧，将激光束照射在熔滴过渡的位置，与水平面角度45°。

实施例5：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(2)中，调整激光参数与位置，设置激光强度为8，激光位于水箱的另一侧，将激光束照射在熔滴过渡的位置，与水平面角度75°。

实施例6：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(3)中，调整镝灯参数与位置，设定镝灯的亮度为最大亮度的50％。本实施例中设置镝灯距离待焊工件的焊接区域为0.5m，调整高速相机与待焊工件距离在1.5m。

实施例7：

一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(3)中，调整镝灯参数与位置，设定镝灯的亮度为最大亮度的80％。本实施例中设置镝灯距离待焊工件的焊接区域为1m，调整高速相机与待焊工件距离在2m。

Claims (8)

1.一种水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***，其特征在于，包括焊接***，焊接***包括焊枪和待焊工件，焊枪位于待焊工件的上方，待焊工件两侧设有镝灯和高速相机，高速相机的镜头前方设有滤光片，镝灯、待焊工件、高速相机位于同一水平面，焊枪一侧倾斜设有激光器，激光器为波长为808nm的激光器；

滤光片为波长是808nm的带通滤光片；镝灯与激光器在焊枪的同一侧，镝灯光源中心、焊丝末端、高速相机的镜头中心三点同轴共线。

2.根据权利要求1所述的水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***，其特征在于，

高速相机的镜头与滤光片之间通过螺纹连接；高速相机配有图像采集卡，图像采集卡与计算机相连。

3.一种权利要求1-2任意一项权利要求所述水下湿法焊接熔滴气泡同步视觉检测***的检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)、设置高速相机的参数，所述高速相机的参数包括光圈大小、曝光时间、采集帧率、分辨率；调整高速相机位置，对焦，使计算机屏幕出现焊丝末端图片；

步骤(2)、调整激光参数与位置，包括激光强度、激光照射角度；激光位于焊枪的另一侧，将激光束照射在熔滴过渡的位置，激光束与水平面角度范围为45°-75°；

步骤(3)、调整镝灯参数与位置，包括镝灯亮度、与待焊工件相距的距离；

步骤(4)、开始焊接，同时打开图像采集软件和电信号采集软件，通过计算机对熔滴过渡、气泡行为实时检测，并选择性的储存。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在对焦时，先将滤光片摘下，待找到清晰图像时将滤光片装回。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，相机的采集帧率由曝光时间和图像分辨率确定，将曝光时间调低至50ms以下。

6.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，激光强度范围为4-8。

7.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，镝灯上的调光旋钮用以改变镝灯的亮度，设定镝灯的亮度调节范围为最大亮度的50％-80％；镝灯与待焊工件的水平距离范围为0.5m-1m，调整高速相机与待焊工件距离范围为1.5m-2m。

8.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，图像采集软件与高速相机配套，电信号的采集是基于虚拟仪器LabVIEW，并配合霍尔传感器来实现；

所述步骤(4)中，启动焊接前先打开图像采集软件和电信号采集软件开始采集，避免漏掉起弧瞬间重要的图像和电信号信息。

Images