一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法技术方案

一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，通过高速摄像系统对双激光束双侧同步焊接填丝过程中熔滴的过渡模式和频率进行实时监控，以达到全程监控不同送丝速度下双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡的目的。本发明专利技术主要包括双激光束双侧同步焊接填丝系统、高速摄像采集处理系统、全数字化送丝控制系统和图像处理系统四部分，其特征在于，本发明专利技术通过两台高速摄像机对桁条两侧的熔滴过渡同时进行监测，利用数字图像处理软件对采集的图像进行快速处理，达到定量计算熔滴过渡频率。本发明专利技术能够实现实时监控熔滴过渡模式和过渡频率，进而提高激光焊的焊缝质量。

A monitoring system and method based on high-speed camera for the droplet transfer of two side synchronous welding with two laser beams

【技术实现步骤摘要】
一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法
本专利技术涉及一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，属于激光焊接质量监控

技术介绍
在航空航天、机械制造等领域，激光焊接铝合金以其能量密度高、焊接变形小、加工柔性小等优点得到了越来越广泛的应用。尤其在航空航天领域，对于飞机机身筒段中最为常见的蒙皮-桁条结构，采用双激光束双侧同步焊接技术不仅可以实现T型结构焊接接头的高效连接，而且相比于铆接大大减轻了机身的重量。目前已有多种机型如A318、A380等成功应用铝合金激光焊接蒙皮-桁条T型接头，使飞机的重量大大减轻同时使飞机机身的完整性得到了保留。飞机机身焊缝密集、结构复杂、精密度要求极高，需要对双激光束双侧同步填丝焊接T型接头进行大量研究以保证焊接结构的精密度和焊缝质量。填丝激光焊能够向熔池中添加有益元素，通过调整焊缝成分改善焊接接头的焊接性、抑制焊接时气孔、裂纹的产生。然而激光焊接过程中熔滴的过渡行为存在周期性和不稳定性，不利于激光能量过渡到焊缝熔池中。双激光束双侧同步焊接过程中主要存在三种典型熔滴过渡方式：大滴过渡、铺展过渡和液桥过渡。大滴过渡由于熔滴大且形成时间长，容易造成焊缝成形粗糙，飞溅严重等现象；铺展过渡由于焊丝的熔化与进给存在周期性，使焊缝成形不均匀，且接头容易出现咬边等缺陷；液桥过渡形式下熔滴以稳定的液桥形式过渡到熔池中，焊丝熔化充分，降低了焊丝的波动对焊接过程的影响，焊缝成形良好。因此精确监测双激光束双侧同步焊接过程的熔滴过渡形式对焊缝的质量的提升具有重要意义。
技术实现思路
为了更好地监控不同送丝参数下机身蒙皮-桁条T型接头双激光束双侧同步填丝焊中的熔滴过渡形式并保证焊接过程中稳定送丝以提高焊接接头质量，本专利技术提出一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，该方法能够借助高速摄像技术对双激光束双侧同步填丝焊过程中的填充焊丝受热、熔化、过渡等动态行为进行观察，快速传送到计算机图像处理系统中并迅速对熔滴的速度和形状做出分析，以此分析熔滴的过渡形式及特点，提高焊接热源的利用率、增强焊接过渡稳定性从而提高焊缝质量。为了实现对双激光束双侧同步填丝焊接过程中填充材料的过渡形式进行监控，本专利技术的装置由四部分组成：双激光束双侧同步焊接填丝系统装置、高速摄像采集处理系统装置、全数字化送丝控制系统与图像处理系统装置。其中，焊接部分由德国IGPPhotonics公司的YLS-10000光纤激光器，焦距300mm的激光双光束焊接头，配合KUKA六轴机器人，填丝采用LINCOLN公司V350型送丝机填充焊丝；高速摄像采集部分由两套PHOTRONFastcam1024R2型高速摄像机、镜头、虑光系统和计算机系统组成，其中高速摄像机的采样频率为2000Hz，分辨率为256*256。为了通过计算机系统对熔滴过渡时的行为特征进行观察、分析和监控，拟采用数字图像处理技术得到熔滴的过渡形状、速度和过渡方式，并通过计算机系统对整个焊接过程进行实时监控和检测。由于熔滴的过渡方式主要受到焊丝的熔化速度影响，因此为了控制焊丝熔化速度，本专利技术在保证其他焊接参数不变的情况下，改变送丝速度，从而改变激光焊过程中熔滴的过渡模式及频率。高速摄像机在正弦波发生器的激励下对双激光束双侧同步填丝焊接过程采样成像，并实时传输到计算机图像处理系统中进行数字图像处理。同时为了使熔滴过渡的图片更加清晰，使用滤光系统去除激光对高速摄像照片的影响。鉴于焊接过程中机器人控制焊枪移动、工件不动，因此熔滴在过渡时会随着焊枪向焊接方向移动。为了使高速摄像过程中的误差降到最小，需使摄像镜头与熔滴在焊接方向上尽量保持静止，因此本专利技术中通过将高速摄像头固定在激光头附近，并保持摄像头始终处于同一条水平线上，以便高速摄像头能够实时拍摄熔滴的过渡方式和并根据图像计算熔滴过渡频率。由于本专利技术中使用的焊接工艺为双激光束双侧同步填丝焊接，因此为了对同步焊接过程中的桁条两侧的熔池进行同步监测，需要采用两套高速摄像设备，将其连接到同一计算机系统中，结合两侧熔池对双激光束双侧同步填丝焊接过程中的熔滴过渡行为进行分别分析计算。将两台摄像机的信号输出端与计算机的信息输入端相连，在查阅相关文献的基础上根据试验材料选择送丝速度。双激光束双侧同步填丝焊接开始后，需要进行以下步骤对熔滴过渡进行监控：步骤一、开启高速摄像机进行自动高频摄像；步骤二、为了降低高速摄像与计算机系统的内存要求，需对双侧熔滴过渡的成像进行二次采样，首先利用正弦波发生器产生出发信号，激励高速摄像机进行一次采样，然后通过对帧数编码、二次采样后传输到计算机图像处理系统。步骤三、使用数字-图像处理软件对采集的图像进行预处理，提高图像的信噪比；步骤四、通过图像处理算法对熔滴的边缘轮廓形貌进行识别，并对每一个图像中的熔滴的位置进行标记；步骤五、通过对相邻两张图像上的质点坐标(x1，y1)、(x2，y2)进行运算，熔滴的过渡速度可用公式：其中，k是经过数字-图像技术处理后实际长度与图像长度之比，vw是双激光束双侧同步填丝焊接过程中焊丝的送丝速度。步骤六、通过高速摄像采集的照片，利用计算机图像处理系统对多个采样所得的数据点进行熔滴过渡频率计算和统计。步骤七、将由摄像图片所得的熔滴形状、过渡速率、过渡频率进行分析计算，并得到最优的双激光束双侧同步填丝焊接熔滴过渡模式和具体参数。本专利技术具有以下优点：第一、本专利技术通过对高速摄像图片进行数字化处理后不仅可以定性地判断熔滴的过渡方式，而且能够定量计算出在该种过渡方式下熔滴过渡的速率和具体过程，对熔滴过渡模式进行更加详细的分析。第二、本专利技术在高速摄像时采用了正弦波激励一次采样和帧数编码二次采样，从而降低高速摄像机和计算机系统的内存要求，使计算机系统加快图像数据处理速度，提高计算机的内存使用效率。第三、使用两台高速摄像机对桁条两侧的熔池进行同步检测，并将实时图像传送到同一台计算机系统中，能将两侧熔滴过渡的数据进行对比分析，同时为观察双激光束双侧同步填丝焊接时熔滴过渡之间的相互作用提供了可能性。第四、本专利技术不仅能够对熔池双侧的熔滴过渡进行瞬时观测，还能通过计算机系统对送丝速度实行实时动态监控，使焊接整个过程的熔滴过渡始终在高速摄像和计算机系统的监控内，从而更加严格地控制焊缝的熔深、熔宽，以减少焊接气孔、裂纹、飞溅等缺陷。附图说明图1为双激光束双侧同步焊接填丝过程外加高速摄像系统熔滴过渡监控装置示意图；图2为高速摄像头的装配放大图；图3为基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控流程图；图4为高速摄像一次采样正弦波触发波形图；图5为高速摄像二次采样帧数编码示意图；图6为熔滴过渡速率计算示意图。图中：1-蒙皮、2-桁条、3-熔池、4-焊丝、5-激光束、6-保护气、7-计算机系统、8-高速摄像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统，其特征在于，包括双激光束双侧同步焊接填丝系统、高速摄像采集处理系统、全数字化送丝控制系统和图像处理系统四部分。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统，其特征在于，包括双激光束双侧同步焊接填丝系统、高速摄像采集处理系统、全数字化送丝控制系统和图像处理系统四部分。


2.根据权利要求1所述的双激光束双侧同步焊接填丝系统，其特征在于，包括两台激光器、两台送丝机、两套保护气送气系统，两台激光器、送丝机与保护气装置分别置于蒙皮两侧，沿焊接方向依次为保护气装置、激光焊接头、送丝机。


3.根据权利要求1所述的双激光束双侧同步焊接高速摄像采集处理系统，其特征在于，高速摄像采集处理系统包括两台高速摄像机、滤光系统和计算机处理系统，高速摄像机固定于夹持激光器的机械臂上，经过滤光系统选择性滤光后对熔滴进行快速成像，再由高速摄像机输出到计算机处理系统对图像进行数字化处理，并通过二次采样节省内存。


4.根据权利要求1所述的双激光束双侧同步焊接全数字化送丝控制系统，其特征在于，包括数字触发器、高速计算机数字信号处理器，能够改变焊丝的送丝速度并保证稳定送丝。


5.一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).通过查阅资料和热输入参数计算，设定不同的送丝速度，以获取不同送丝速度下熔滴大小和过渡频率参数；
(2).开启焊接装置，高速摄像系统对双激光束双侧同步焊接过程中双侧过渡熔滴进行高频采样捕捉并选择性成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，陈丹，王磊磊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32