熔滴过渡高速摄像技术在水下焊接试验中的应用

孙 勃，唐德渝，牛虎理，吕 涛，薛 龙

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451；3.北京石油化工学院，北京 102617）

熔滴过渡高速摄像技术在水下焊接试验中的应用

孙 勃1，2，唐德渝1，2，牛虎理1，2，吕 涛3，薛 龙3

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451；3.北京石油化工学院，北京 102617）

根据高压干法水下焊接特殊的环境要求，组建了一套熔滴过渡高速摄像系统。该系统采用激光背景光源，利用准直扩束光学系统对激光进行准直扩束，选用FASTCAM 1024 PCI高速摄像机，并设计了可实现X轴和Z轴二维精确调整的高速摄像技术工作台。用该系统在高压干法水下焊接工作舱内进行拍摄，获得了清晰的水下高压舱内焊接电弧形貌及熔滴过渡图像。

水下焊接；焊接电弧；熔滴过渡；高速摄像

0 引言

在水下高压干法焊接的高压环境中，其电弧行为及熔滴过渡过程与大气环境中有很大的差异。要实现连续稳定的焊接过程，保证焊接质量，须采用高速摄像技术对焊接电弧的稳定性及熔滴过渡方式进行深入的观察分析。由于焊接熔滴过渡过程具有被摄物体画面小、熔滴过渡频率高 （一般为几十至几百赫兹）及熔滴穿越电弧空间速度快 （可达每秒几十米）等特点，而且熔滴通常处于电弧包围之中，往往被强烈的弧光所掩盖，不易观察，因此，普通的高速摄影方法，不能直接用于熔化焊电弧区及熔滴过渡过程的观察，需根据弧光的光谱特性和熔池观察的特点进行系统设计，同时要适应高压环境的观察条件。将高速摄像技术应用于高压干法水下焊接过程的观察，可加深对水下焊接电弧行为和熔滴过渡过程的认识，为进一步分析水下焊接过程、研究和改进水下焊接工艺、保证水下焊接质量提供依据[1-6]。

1 高速摄像系统的组成及工作原理

1.1 高速摄像系统的组成

高速摄像系统一般由光源及照明系统、成像及高速摄影系统、工作台、高速数据采集及显示分析系统组成。适用于管道焊接的高速摄像系统组成如图1所示。各部分的作用分别为：光源及照明系统用于产生供观测和高速摄像用的准直背景光；成像及高速摄影系统用于对待观测溶滴或电弧进行成像和高速记录；工作台用于对待观测焊接管件的夹持、旋转、光学系统及相机工作距离的调整等；高速数据采集及显示分析系统用于完成高分辨率视频图像的数据采集、显示、存储和分析等。

1.2 高速摄像系统的工作原理

高速摄像系统的工作原理是：通过在工作台上精确调整高速摄像系统中各个组成部件的位置，使激光光源发出的小直径平行激光束，通过高速摄像光学系统的扩束部分扩展成为光斑直径较大的近似平行的光束，照射到焊丝、焊接熔滴及焊接电弧后，通过成像部分将清晰的像呈现在成像屏上，由高速摄像机拍摄，并通过数据接口传至PC机上进行分析研究。

2 高速摄像系统的组建

2.1 光源及照明系统

对光源及照明系统的基本要求是，最好为单色光，波长在电弧光谱及可见光范围之内，且通过光源与照明系统得到的光必须为平行光。

一般可选择激光和碘钨灯等高亮度光源作为背景光源。激光的方向性好，初始的光束直径一般均较小，扩束可得到较理想的平行光源，容易利用小孔光阑，消除弧光及激光干涉条纹的影响。还由于激光为单色光，使用干涉带通滤光片，即可较好地滤除弧光的干扰，能够拍出视场较大、清晰程度较好的画面。

电弧光强度很高，不能用肉眼直接观察，而电弧光的波长分布在从紫外到红外很宽范围内。为了便于观察，需采用滤光和背景光两措施削弱电弧光。滤光即只保留某一波长的光，为进一步削弱弧光，还要采用背光源，在选择激光背光源时，为了肉眼可见，激光波长选择可见光的波长范围即可（可见光的波长范围在390～770 nm之间）。

本系统采用的激光发生器激光功率为50 mW，波长为635 nm。采用该发生器所发出的激光束是一种具有特殊结构的高斯光束，高斯光束在空间中的场分布函数E表示为下式：

由于激光光束既不是平面波，也不是球面波，而是一种高斯分布的光波，而且高斯光束的干涉将产生一个附加位相差，在光学系统中需要采用对激光进行准直扩束，压缩远场发散角的方法来减小该附加位相差 （见图2）。根据激光光学可知：

式中 ω0——基模高斯光束腰斑半径；

l——激光器的激光管腔长；

R1，R2——分别为两个反射镜半径。

通过计算，可知光学系统焦距F为：

式中 ωi，max——准直扩束后激光束腰斑半径。

准直扩束光学系统如图2所示。

2.2 成像及高速摄影系统

成像及高速摄影系统主要由高速摄像机、成像物镜、滤光镜等组成。高速摄像机是整个高速摄像系统的关键部件，其重要的技术参数有图像分辨率、帧率、灰度精度、曝光时间、快门速度、存储时间等。成像物镜的主要技术参数有成像倍率、工作距离、光学分辨率、灰度识别范围等，在选择成像物镜时，要综合考虑上述各因素。

本系统高速摄像机选用日本Photron公司产品FASTCAM 1024 PCI，主要优点有：

（1）动态范围较好，获取图像的灰度细节较好。

（2）支持双方向窗口裁剪。

（3）帧率及存储时间支持较好。

（4）快门可独立设置，现场适应能力较好。

根据焊接电弧及熔滴过渡的成像特点及精度要求，选用日本Tamron和Nikon两种物镜作为核心组成成像系统，可覆盖1∶10至1∶1的成像倍率要求，且工作距离、光学分辨率、灰度识别范围均可满足要求。

2.3 工作台

为了适应管道焊接，设计的工作台包括数控旋转工作台和高速摄像技术工作台。数控旋转工作台可实现回转半径200 mm、最大回转速度5 r/min；高速摄像技术工作台可实现X轴和Z轴二维精确调整。

2.4 高速数据采集及显示分析系统

高速数据采集及显示分析系统主要由工业系统机组成，可实现1∶1屏幕显示。

3 熔滴过渡高速摄像系统在水下焊接中的应用

由于水下高压干法焊接在焊接舱内进行，因此空间受到一定的限制，必须将系统尺寸尽量压缩（如图3所示），因此，设计了如图4所示的焊件转动型实验台架结构。采用本系统可分别针对不同压力下平焊、立焊、仰焊位置电弧形态及熔滴过渡进行拍摄。图5和图6是利用本系统拍摄的0.2 MPa压力下的水下焊接电弧形态及熔滴过渡图像，其中图5是通过滤光片部分滤光后的焊接电弧形貌，图6是通过调整滤光片及高速摄像机光圈大小等得到的熔滴过渡图像。可见该系统能够获得清晰的水下焊接电弧和熔滴过渡照片。

4 结束语

（1）通过对熔滴过渡高速摄像系统的原理分析及关键元器件选型，组建了适合拍摄高压干法水下焊接过程电弧形貌和熔滴过渡过程的高速摄像系统。

（2）本文成功地将高速摄像系统应用于高压干法水下焊接，拍摄高压环境下焊接电弧形貌及熔滴过渡过程，获得了清晰的图像。通过分析图像，可加深对水下焊接电弧行为和熔滴过渡过程的认识，为进一步分析水下焊接过程，研究和改进水下焊接工艺，保证水下焊接质量提供依据。

[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]薛海涛，李俊岳，张晓囡，等．焊接电弧信息测试分析系统[J]．焊接学报，2003，24（1）：19-22．

[3]朱志明，吴文楷，陈强．基于高速CCD摄像的短路过渡焊接熔滴检测与分析[J]．焊接学报，2006，27（3）：29-33.

[4]包哗峰，周昀，吴毅雄，等．熔化极气体保护焊熔滴过渡研究[J]．电焊机，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]孙咸，王红鸿，张汝谦，等.药芯焊丝熔滴过渡特性及其影响因素研究[J].石油工程建设，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

孙 勃 （1983-），女，河北衡水人，2008年毕业于天津大学，硕士，主要从事焊接工艺和设备的研究开发。

2010-10-25；

2011-05-04