P-GMAW正反面熔池图象传感系统

0 前言

在实现焊接自动化过程中，焊缝成形检测与控制始终是一项主要工作。视觉传感器由于其不与焊接回路接触，检测不影响焊接过程的进行，提供的信息直观、丰富等优点，在焊缝成形检测与控制中得到了越来越广泛的应用。近些年来，光学器件成本下降，计算机视觉技术的发展，各种图象处理算法的产生和完善，为视觉传感器在焊缝成形检测与控制中的应用提供了条件^[1]。

根据视觉传感系统中成象光源是辅助光源还是焊接区自身光源，视觉传感系统可分为主动式和被动式两大类^[2]。主动式视觉检测方法采用激光等辅助光源对焊接区进行人工照明，以提高图象的质量。由于激光具有单波长，方向性、相干性好等特点，所以采用激光作为辅助光源可以获得较清晰的图象^[3]。但由于在主动式视觉传感中，所采用的高能量密度的脉冲光源和特殊电子快门的摄像机，价格昂贵，且设备复杂，限制了这种方法在实际中的应用。被动式视觉传感不另加辅助光源，而是利用弧光本身照明和熔池自身辐射成像。这一方法需要解决的主要问题是抑制弧光对熔池成像的影响，为此国内外的研究者们提出了多种方法：同轴观测焊接熔池法^[4]，复合滤光法^[5]，基值时间取像法^[6]。以上研究多集中于GTAW焊接过程，而对于GMAW过程，由于弧光更加强烈，成像也较为困难，相关研究也较少。K.Oshima等人在脉冲熔化极气体保护焊过程(P-GMAW)中，将基值电流降到最低的维弧电流，抑制弧光干扰，实现了熔池宽度的在线提取^[7]，但这一方法需对焊接电源做特殊的控制。

考虑到实际应用的要求，本文研究了利用被动式视觉技术获取P-GMAW正反面熔池图象的方法。

1 焊接实验系统及实验条件

P-GMAW实验系统框图如图1所示，由五部分组成：焊接系统包括MM-350焊机和步进电机驱动的焊接小车；正面成像系统包括非标准视频制CCD摄像机，图像采集卡和滤光系统；反面成像系统包括普通CCD，图像采集卡及减光系统；焊接参数检测、设定及焊接过程程序控制系统包括电流电压传感器，HT6070数据采集卡，HY-6080隔离型D/A板，步进电机脉冲发生器；系统的核心为一台微型计算机。

本文分别进行了6mm厚平板堆焊实验和2mm厚平板对接实验。母材材质为Q235B，焊丝材质为H08Mn2SiA，直径为1.2mm，保护气体成分为Ar95%+CO₂5%，流量为15L/min，焊枪高度为17mm。

2 正面熔池图像传感系统

本文首先采用以上实验条件，测定了电流为100A时的GMAW弧光光谱分布，其特征是在连续的背景谱上叠加一些离散的特征谱线。光谱采集的波长范围为200nm-1100nm。结果表明在波长为602nm至697nm的光谱区间和大于922nm的近红外区间，连续谱强度较弱，离散分布的特征谱线也较少，为较理想的取像窗口。但由于一般的CCD对红外光的感光灵敏度较低，所以最终确定采用中心波长为665nm的窄带滤光片进行滤光。

图2为6mm平板堆焊过程中，利用上述滤光片，从正后上方连续采集得到的P-GMAW熔池图像，取像频率为2ms/f，容易看出图2(b, c, m, n)为峰值期间熔池图像，图2(a, d-l)为基值期间熔池图像。在脉冲峰值期间由于焊接电流较大，弧光辐射强度很强，电弧外层虚弧辐射的电弧弧光足以超出CCD摄像机的响应范围，得到的熔池图像中熔池几乎全部笼罩在弧光之下；在脉冲基值期间焊接电流较小，弧光辐射强度较弱，电弧外层虚弧被有效的去除掉了，只有焊枪正下方电弧中心区辐射强度非常高，超出CCD摄像机的响应范围，在图像上呈亮区，而熔池边界均清晰可见。另外观察发现，在脉冲基值结束时刻，电弧弧光最弱，熔池边界最为清晰，为理想的取像时刻。

对于采用synergic控制的P-GMAW来说，其脉冲频率一般在几到几十Hz，而标准视频制CCD帧率为25或30Hz，且一帧分为奇偶两场，所以，使用标准视频制CCD取像，采集到的一帧图像可能既包含基值图像也包含峰值图像，采用帧场分离技术可以获取基值图像，但降低了图像质量，且不能在焊接电流所有频率范围内实用。因此，针对P-GMAW，适合采用带有外触发功能，可逐行扫描的CCD进行取像，目前该类CCD的价位已达到了工业应用的水平。在本文中，采用CA-D6-0256W高速摄像CCD代替。

图3（a）为图2（l）放大后的图像，即6mm平板堆焊过程基值时间结束时刻的正面熔池图像，可以看出熔池的边界清晰可辨；图3（b）为2mm平板对接过程中，基值时间结束时刻的正面熔池图像，为了有效利用摄像机象素空间，摄像机绕其对称轴顺时针旋转45º。

在图3中，烁亮区域为焊接电弧，电弧上方为焊枪喷嘴，电弧下方为熔池，整个熔池被熔渣分为主熔池（熔池头部）与付熔池（熔池尾部）两部分。多组实验结果表明，对于低碳钢熔化极气体保护焊来说，熔渣的形貌有两种情况，其一为漂浮于熔池上，如图3（b）；其二为位于熔池两侧并粘着在母材上，如图3（a）。从图3还可以看出：在6mm平板堆焊，焊接速度较低，未熔透的情况下（如图3（a）），熔池尾部边界较圆滑，无明显尖角，熔池长宽比相对较小；在2mm平板对接，焊接速度较高，完全熔透时刻（如图3（b）），熔池尾部边界近似于两条直线，熔池的长宽比相对较大。图3中，熔池尾部下方为刚凝固的焊道，焊道灰度值要高于其附近熔融金属的灰度值。

(a) (b)

图3典型的正面熔池图像

((a) 6mm平板堆焊, 焊接电流100A，焊接电压22.4V，焊接速度240mm/min；(b) 2mm平板对接, 焊接电流56A，焊接电压18.2V，焊接速度360mm/min)

3 反面熔池图像传感系统

反面熔池图像传感系统由视频制CCD，减光系统及CG200图像采集卡组成。减光系统中除采用光圈外与电子快门调节外，加入了中性减光片，图4为利用该系统得到的典型的反面熔池图像。在反面熔池刚开始形成阶段，熔池长宽比近似为1，随着焊接过程的进行，熔池不断拉长，最终趋于稳定值，但是由于材料，散热等条件的不均匀性，熔池的长度在恒规范稳定焊接阶段仍有较大的波动。反面熔池成像的主要光源为熔池自身的辐射，可由看出熔池边界较为清晰。

（a）起始焊接阶段（b）稳定焊接阶段

图4典型的反面熔池图像

4 结论

采用中心波长为665nm的窄带滤光，在脉冲基值期间取像，可获取清晰的P-GMAW正面熔池图象。利用中性减光技术，可获取清晰的P-GMAW反面熔池图象。

参考文献：

1 赵冬斌. 基于三维视觉传感的填丝脉冲GTAW熔池形状动态智能控制[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文. 2000.

2 Bentley A. E., Marberger S. J. Arc Welding Penetration Control Using Quantitative Feedback Theory. Welding Journal[J]. 1992, Vol. 71(11): 397s~405s.

3 Kovacevic R., Zhang Y. M. Three-dimension Measurement of Weld Pool Surface[C]. Proceedings of the International Conference on Modeling and Control of Joining Processeses, Oriando, Florida，USA, 1993: 600~607

4 Richardson R. W., Gutow D. A. Coaxial Arc Weld Pool Viewing for Process Monitoring and Control. Welding Journal[J]. 1984, 63(3): 43~50

5 Zhang G. J., Chen S. B., Wu L. Simultaneous vision image sensing of weld pool of pulsed GTAW in multi-orientation in a frame[C]. Proceedings of SPIE, 2001, October, Vol. 4553-66, 321~325.

6 Chen S. B., Wu. L., Wang Q. L., Liu Y. C. Self-learning fuzzy neural network and computer vision for control of pulsed GTAW[J]. Welding Journal, 1997, 5: 201s~209s.

7 Oshima K., Morita M., Fujii K., Yamamoto M. Observation and digital control of the molten pool in pulsed MIG welding[J]. Welding International, 1988, 3:234~240.