熔滴過渡高速攝像技術在水下焊接試驗中的應用

孫 勃，唐德渝，牛虎理，呂 濤，薛 龍

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451；3.北京石油化工學院，北京 102617）

熔滴過渡高速攝像技術在水下焊接試驗中的應用

孫 勃1，2，唐德渝1，2，牛虎理1，2，呂 濤3，薛 龍3

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451；3.北京石油化工學院，北京 102617）

根據高壓干法水下焊接特殊的環境要求，組建了一套熔滴過渡高速攝像系統。該系統采用激光背景光源，利用準直擴束光學系統對激光進行準直擴束，選用FASTCAM 1024 PCI高速攝像機，并設計了可實現X軸和Z軸二維精確調整的高速攝像技術工作臺。用該系統在高壓干法水下焊接工作艙內進行拍攝，獲得了清晰的水下高壓艙內焊接電弧形貌及熔滴過渡圖像。

水下焊接；焊接電弧；熔滴過渡；高速攝像

0 引言

在水下高壓干法焊接的高壓環境中，其電弧行為及熔滴過渡過程與大氣環境中有很大的差異。要實現連續穩定的焊接過程，保證焊接質量，須采用高速攝像技術對焊接電弧的穩定性及熔滴過渡方式進行深入的觀察分析。由于焊接熔滴過渡過程具有被攝物體畫面小、熔滴過渡頻率高 （一般為幾十至幾百赫茲）及熔滴穿越電弧空間速度快 （可達每秒幾十米）等特點，而且熔滴通常處于電弧包圍之中，往往被強烈的弧光所掩蓋，不易觀察，因此，普通的高速攝影方法，不能直接用于熔化焊電弧區及熔滴過渡過程的觀察，需根據弧光的光譜特性和熔池觀察的特點進行系統設計，同時要適應高壓環境的觀察條件。將高速攝像技術應用于高壓干法水下焊接過程的觀察，可加深對水下焊接電弧行為和熔滴過渡過程的認識，為進一步分析水下焊接過程、研究和改進水下焊接工藝、保證水下焊接質量提供依據[1-6]。

1 高速攝像系統的組成及工作原理

1.1 高速攝像系統的組成

高速攝像系統一般由光源及照明系統、成像及高速攝影系統、工作臺、高速數據采集及顯示分析系統組成。適用于管道焊接的高速攝像系統組成如圖1所示。各部分的作用分別為：光源及照明系統用于產生供觀測和高速攝像用的準直背景光；成像及高速攝影系統用于對待觀測溶滴或電弧進行成像和高速記錄；工作臺用于對待觀測焊接管件的夾持、旋轉、光學系統及相機工作距離的調整等；高速數據采集及顯示分析系統用于完成高分辨率視頻圖像的數據采集、顯示、存儲和分析等。

1.2 高速攝像系統的工作原理

高速攝像系統的工作原理是：通過在工作臺上精確調整高速攝像系統中各個組成部件的位置，使激光光源發出的小直徑平行激光束，通過高速攝像光學系統的擴束部分擴展成為光斑直徑較大的近似平行的光束，照射到焊絲、焊接熔滴及焊接電弧后，通過成像部分將清晰的像呈現在成像屏上，由高速攝像機拍攝，并通過數據接口傳至PC機上進行分析研究。

2 高速攝像系統的組建

2.1 光源及照明系統

對光源及照明系統的基本要求是，最好為單色光，波長在電弧光譜及可見光范圍之內，且通過光源與照明系統得到的光必須為平行光。

一般可選擇激光和碘鎢燈等高亮度光源作為背景光源。激光的方向性好，初始的光束直徑一般均較小，擴束可得到較理想的平行光源，容易利用小孔光闌，消除弧光及激光干涉條紋的影響。還由于激光為單色光，使用干涉帶通濾光片，即可較好地濾除弧光的干擾，能夠拍出視場較大、清晰程度較好的畫面。

電弧光強度很高，不能用肉眼直接觀察，而電弧光的波長分布在從紫外到紅外很寬范圍內。為了便于觀察，需采用濾光和背景光兩措施削弱電弧光。濾光即只保留某一波長的光，為進一步削弱弧光，還要采用背光源，在選擇激光背光源時，為了肉眼可見，激光波長選擇可見光的波長范圍即可（可見光的波長范圍在390～770 nm之間）。

本系統采用的激光發生器激光功率為50 mW，波長為635 nm。采用該發生器所發出的激光束是一種具有特殊結構的高斯光束，高斯光束在空間中的場分布函數E表示為下式：

由于激光光束既不是平面波，也不是球面波，而是一種高斯分布的光波，而且高斯光束的干涉將產生一個附加位相差，在光學系統中需要采用對激光進行準直擴束，壓縮遠場發散角的方法來減小該附加位相差 （見圖2）。根據激光光學可知：

式中 ω0——基模高斯光束腰斑半徑；

l——激光器的激光管腔長；

R1，R2——分別為兩個反射鏡半徑。

通過計算，可知光學系統焦距F為：

式中 ωi，max——準直擴束后激光束腰斑半徑。

準直擴束光學系統如圖2所示。

2.2 成像及高速攝影系統

成像及高速攝影系統主要由高速攝像機、成像物鏡、濾光鏡等組成。高速攝像機是整個高速攝像系統的關鍵部件，其重要的技術參數有圖像分辨率、幀率、灰度精度、曝光時間、快門速度、存儲時間等。成像物鏡的主要技術參數有成像倍率、工作距離、光學分辨率、灰度識別范圍等，在選擇成像物鏡時，要綜合考慮上述各因素。

本系統高速攝像機選用日本Photron公司產品FASTCAM 1024 PCI，主要優點有：

（1）動態范圍較好，獲取圖像的灰度細節較好。

（2）支持雙方向窗口裁剪。

（3）幀率及存儲時間支持較好。

（4）快門可獨立設置，現場適應能力較好。

根據焊接電弧及熔滴過渡的成像特點及精度要求，選用日本Tamron和Nikon兩種物鏡作為核心組成成像系統，可覆蓋1∶10至1∶1的成像倍率要求，且工作距離、光學分辨率、灰度識別范圍均可滿足要求。

2.3 工作臺

為了適應管道焊接，設計的工作臺包括數控旋轉工作臺和高速攝像技術工作臺。數控旋轉工作臺可實現回轉半徑200 mm、最大回轉速度5 r/min；高速攝像技術工作臺可實現X軸和Z軸二維精確調整。

2.4 高速數據采集及顯示分析系統

高速數據采集及顯示分析系統主要由工業系統機組成，可實現1∶1屏幕顯示。

3 熔滴過渡高速攝像系統在水下焊接中的應用

由于水下高壓干法焊接在焊接艙內進行，因此空間受到一定的限制，必須將系統尺寸盡量壓縮（如圖3所示），因此，設計了如圖4所示的焊件轉動型實驗臺架結構。采用本系統可分別針對不同壓力下平焊、立焊、仰焊位置電弧形態及熔滴過渡進行拍攝。圖5和圖6是利用本系統拍攝的0.2 MPa壓力下的水下焊接電弧形態及熔滴過渡圖像，其中圖5是通過濾光片部分濾光后的焊接電弧形貌，圖6是通過調整濾光片及高速攝像機光圈大小等得到的熔滴過渡圖像。可見該系統能夠獲得清晰的水下焊接電弧和熔滴過渡照片。

4 結束語

（1）通過對熔滴過渡高速攝像系統的原理分析及關鍵元器件選型，組建了適合拍攝高壓干法水下焊接過程電弧形貌和熔滴過渡過程的高速攝像系統。

（2）本文成功地將高速攝像系統應用于高壓干法水下焊接，拍攝高壓環境下焊接電弧形貌及熔滴過渡過程，獲得了清晰的圖像。通過分析圖像，可加深對水下焊接電弧行為和熔滴過渡過程的認識，為進一步分析水下焊接過程，研究和改進水下焊接工藝，保證水下焊接質量提供依據。

[1]Harwig D D，Dierksheide J E，Yapp D，et a1．Arc behavior and melting rate in the VP-GMAW process[J]．Welding Journal，2006，85（3）：52-62．

[2]薛海濤，李俊岳，張曉囡，等．焊接電弧信息測試分析系統[J]．焊接學報，2003，24（1）：19-22．

[3]朱志明，吳文楷，陳強．基于高速CCD攝像的短路過渡焊接熔滴檢測與分析[J]．焊接學報，2006，27（3）：29-33.

[4]包嘩峰，周昀，吳毅雄，等．熔化極氣體保護焊熔滴過渡研究[J]．電焊機，2006，36（3）：55-58．

[5]ZhangYM，LiguoE，Kovacevic R，et a1．Active metal transfer control bymonitoringexciteddroplet oscillation[J]．Welding Journal，1998，77（9）：388-395．

[6]孫咸，王紅鴻，張汝謙，等.藥芯焊絲熔滴過渡特性及其影響因素研究[J].石油工程建設，2007，（1）：49-53.

Application of High-speed Photography for Melt Transfer in Underwater Welding Tests

SUN Bo（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,TANG De-yu,NIU Hu-li,et al.

A high-speed camera system is established based on the special requirements of hyperbaric dry underwater welding.This system uses laser as the background light,adopts collimated expanded beam optical system to observe parallel laser beam,uses FASTCAM 1024 PCI high-speed camera,and designs the operating floor that can be adjusted precisely in two-dimensions （X-axis and Z-axis）.The system was used to take photos of the welding arc shape and melt transfer process in the hyperbaric chamber,and can get clear photos.

underwater welding;welding arc;melt transfer;high-speed photography

TG456.5

B

1001－2206（2011）04－0053－03

孫 勃 （1983-），女，河北衡水人，2008年畢業于天津大學，碩士，主要從事焊接工藝和設備的研究開發。

2010-10-25；

2011-05-04