基于网格激光的TIG焊熔池三维表面凹凸性分析
基于网格激光的TIG焊熔池三维表面凹凸性分析 基于网格激光的TIG焊熔池三维表面凹凸性分析
何笑英， 黄健康， 石 玗， 樊 丁
(兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050)
摘 要：针对钨极惰性气体保护焊熔池三维表面测量的问题，提出了基于网格结构激光熔池表面反射的测量方法，并使用CCD采集投影在成像屏上的反射结构激光视屏图像. 在此基础上，分别对标准的凹面和凸面反射激光成像进行了标定与分析，进一步对不同电流大小的TIG焊过程中的熔池表面所反射于成像屏上的激光网格信息进行了分析，分析了熔池自由表面的凹凸性. 结果表明，采用网格激光能更好的反映熔池表面的凹凸情况，且随着焊接电流的增加，熔池表面由凸面慢慢开始向中间凹陷转变.
关键词：钨极惰性气体保护焊;网格结构激光;熔池三维表面;反射成像
0 序 言
为实现较好的TIG焊质量和较高的焊接效率，TIG焊熔池表面行为是极为重要因素，而熔池三维表面又是关键性的指标，特别是动态熔池形貌[1]. 在反映熔宽、熔池长度等传统焊接参数，更可以反映熔池的凹凸情况，熔透和塌陷.
大量的学者在为实现熔池表面三维信息方面开展了众多的研究. 陈善本等人[2]采用了阴影恢复法，对TIG焊熔池三维形貌进行了分析，但该方法计算复杂，易受弧光干扰，只获取了熔池表面高度方面的信息. 此外，还有双目立体视觉的方法[3]，但是该方法在熔池变化较快，熔池区域特征不明显等使得匹配困难，这些分析为TIG焊熔池表面测量提供了一些方法. 但在焊接过程中，由于弧光等因素的干扰，使得运用这些方法造成了干扰，获得的熔池表面三维数据的精度受到不同程度的影响. 因此，为了避免在熔池测量过程中弧光带了的干扰，近些年国内外众多学者主要利用激光与滤光技术相结合的方法来测量熔池表面三维信息. 张裕明教授提出了采用结构激光对TIG焊熔池镜面反射于成像屏的方法来进行熔池表面分析，实现较为准确的TIG焊熔池表面的测量[4-7]. 王志江等人[8]设计了用于测量TIG焊熔池表面形貌的三维传感装置，在强弧光下能够获得清晰的反映TIG焊熔池表面形貌的激光条纹. 艾孝谱等人[9]提出了基于条纹反射和傅里叶变换的新方法用于测量TIG焊熔池表面高度方面的信息. 石玗等人[10]采用条纹激光开展了通过熔池振荡来进行熔池的分析.
文中在结构激光反射成像方法的基础上，提出用网格激光熔池表面反射测量，分别对标准的凹面和凸面反射成像模式进行了分析，并进一步对不同电流大小的TIG焊熔池表面反射成像的图像进行了分析，分析了不同焊接电流下熔池表面的凹凸性.
1 熔池表面激光反射成像试验系统
基于熔池表面类镜面反射特性和熔池与母材对光束漫反射差异，以一定的几何参数将网格激光投影于熔池表面，成像屏和CCD工业相机分别截取、成像经熔池反射的激光束和发生形态变化的网格激光. 试验中运用的网格激光视觉测量原理图，并建立空间坐标系，如图1所示.
图1 激光网格视觉测量试验原理图
Fig.1 Experimental principle of measurement using lasers grid vision
TIG焊熔池表面测量系统主要由熔池表面反射的网格激光视觉采集系统构成. 视觉采集系统的激光器根据要求定制而成，功率为200 mW，波长为650 nm，激光输出形式为网格激光，激光器置于xOz平面内发射出网格激光投影于所测量的表面. 在焊枪另一侧放置的42 cm×29 cm成像屏与水平放置的工件垂直，并在成像屏后置CCD工业摄像机实时记录变化的激光网格图像. 为降低弧光对网格激光图像干扰，获得更好的投影网格激光图像，镜头前置(650±20)nm的带通滤光片. 试验测量系统实物装置如图2所示，激光器与工件构成一定夹角以使投影的激光全部覆盖在整个熔池表面且成像的网格最清晰可见.
图2 试验测量系统
Fig.2 Experimental measurement system
2 反射成像标定与试验分析
2.1 凹凸面标定
试验中，采用MindVision的黑白CCD工业相机，光谱响应范围为340～1 030 nm，信噪比为38 dB，动态范围大于70 dB. 因CCD摄像机的参数随工作条件而变化，即以棋盘标定格作为标定板进行了标定，以满足在处理过程中计算实际物理尺寸和像素之间的关系，得出合适的投影角度、拍摄系数参数以达到最好的效果.
试验中激光器前端到工件的垂直高度为14 mm，到焊枪的水平距离为23 mm，且激光器与工件水平方向成30°. 焊枪与水平面垂直. 焊枪到成像屏的水平距离为600 mm；采用CCD进行采集获得图像，网格激光经过平面反射后的激光在成像屏上的成像如图3所示，激光网格基本无畸变，仍为规则的激光网格.
图3 激光网格经平面反射的成像图
Fig.3 Images of lasers grid reflected by plane surface
为进行反射成像分析，采用标准的凹面、凸面对激光经其表面反射后的图像来进行对比分析. 分别对凹面、凸面进行激光中心点标定和最佳光路参数设置，并进行摄像机校核，获得了图4网格激光经凹面、凸面反射后由CCD在成像屏上采集的图像. 其中图4a为网格激光经凸面反射后所采集到的图像信息，由图4a可知，反射后的网格激光畸变不大. 图4b为网格激光经凹面反射后所采集到的图像信息，与图4a对比可知，凹面的反射后的成像比凸面的激光网格之间格子相对较紧凑，且凹面网格的激光线的行曲率比凸面的较大.
图4 激光网格经理想的凹凸面反射的成像图
Fig.4 Images of lasers grid reflected by ideal convex and concave
通过进一步试验发现凹面与凸面的反射成像模式是不同的，由光学反射定理知对于镜面反射，可有三种成像模式，分别为顺序、逆序和混序. 入射线与反射线顺序保持一致的为顺序模式，入射线与反射线顺序相反的为逆序模式，以及入射线与反射线顺序没有相关性的为混序模式.
当在凸面的左边且靠近激光器的位置设定障碍物时，成像盲区在成像屏的左边区域和顶端位置，则凸面反射成像在水平方向上为顺序模式，在垂直方向上为逆序模式，如图5所示. 而对于凹面，当在凹面的右边且靠近成像屏的位置设定障碍物时，成像盲区在左边区域且在靠近成像屏的顶端位置，则凹面反射成像在水平方向上为逆序模式，在垂直方向上为顺序模式，如图6所示.
图5 激光网格经凸面反射成像模式
Fig.5 Imaging pattern for lasers grid reflection of convex
图6 激光网格经凹面反射成像模式
Fig.6 Imaging pattern for lasers grid reflection of concave
2.2 TIG焊熔池自由表面网格激光反射试验分析
由于熔化的不锈钢液体表面具有良好的反光特性，故采用在304不锈钢钢板上进行匀速TIG焊平板堆焊工艺试验，不锈钢钢板尺寸为250 mm×100 mm×3 mm. 在试验中，分别采用焊接电流为50,60和70 A进行焊接试验，其中氩气气流量都为10 L/min. 同时利用CCD记录TIG焊过程中激光经动态熔池表面反射后成像情况并经分帧处理后提取典型的激光反射成像的网格图像进行对比分析.
从不同的TIG焊焊接电流的试验发现，不同的焊接电流使熔池表面的凹凸程度有很大的变化. 图7为不同焊接电流参数下的激光反射成像网格图像.
图7 不同焊接电流下熔池表面激光网格反射成像图
Fig.7 Images of lasers grid reflected by weld pool surface at different welding currents
从图7可以看出，激光反射成像的网格有很明显的差别，其中图7a为电流大小50 A时，这时因母材熔化所形成的熔池面积还不是很大，故在成像屏上所形成的激光网格较少，且熔池表面比较凸；随着焊接电流的增大，当电流为60 A时，由图7b可知，熔池表面面积增大，则熔池表面将更多的激光网格反射到成像屏上，且激光网格的线曲率发生变化，熔池表面的突出高度逐渐减小. 当电流进一步达到70 A时，由图7 c发现，这时熔池表面反射的激光网格最多，熔池的表面也很大，激光网格有向中间部位聚集的趋势，熔池表面的中间部位有开始向下凹的转变.
3 结 论
(1) 当表面为凸面时，所反射的激光网格为凸变形，行曲率大，且在水平方向上成像为顺序，垂直方向为逆序；当表面为凹面时，所反射的激光网格行曲率较小，激光网格的格子相对较紧凑，且在上成像为逆序，垂直方向为顺序.
(2) 随TIG焊焊接电流的增大，熔池自由表面所反射的激光网格形态发生较大的变化；随着TIG焊熔池表面增大，所反射的激光网格增多，且熔池表面由凸面慢慢开始向中间凹陷转变.
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收稿日期：2014-12-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51205179)； 兰州理工大学红柳青年基金资助项目(Q201202)
作者简介：何笑英，女，1990年出生，硕士研究生. 主要从事熔池表面三维恢复研究. Email: [email protected]
通讯作者：黄健康，男，博士，副教授，硕士研究生导师. Email: [email protected]
中图分类号：TG 409
文献标识码：A
文章编号：0253-360X(2017)01-0065-04