孫 勃，唐德渝，?；⒗恚瑓?濤，薛 龍

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451；3.北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

熔滴過渡高速攝像技術(shù)在水下焊接試驗(yàn)中的應(yīng)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(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451；3.北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

根據(jù)高壓干法水下焊接特殊的環(huán)境要求，組建了一套熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用激光背景光源，利用準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)對激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，選用FASTCAM 1024 PCI高速攝像機(jī)，并設(shè)計了可實(shí)現(xiàn)X軸和Z軸二維精確調(diào)整的高速攝像技術(shù)工作臺。用該系統(tǒng)在高壓干法水下焊接工作艙內(nèi)進(jìn)行拍攝，獲得了清晰的水下高壓艙內(nèi)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(huán)境中，其電弧行為及熔滴過渡過程與大氣環(huán)境中有很大的差異。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的焊接過程，保證焊接質(zhì)量，須采用高速攝像技術(shù)對焊接電弧的穩(wěn)定性及熔滴過渡方式進(jìn)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(dá)每秒幾十米）等特點(diǎn)，而且熔滴通常處于電弧包圍之中，往往被強(qiáng)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(qū)及熔滴過渡過程的觀察，需根據(jù)弧光的光譜特性和熔池觀察的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，同時要適應(yīng)高壓環(huán)境的觀察條件。將高速攝像技術(shù)應(yīng)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(rèn)識，為進(jìn)一步分析水下焊接過程、研究和改進(jìn)水下焊接工藝、保證水下焊接質(zhì)量提供依據(jù)[1-6]。

1 高速攝像系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 高速攝像系統(tǒng)的組成

高速攝像系統(tǒng)一般由光源及照明系統(tǒng)、成像及高速攝影系統(tǒng)、工作臺、高速數(shù)據(jù)采集及顯示分析系統(tǒng)組成。適用于管道焊接的高速攝像系統(tǒng)組成如圖1所示。各部分的作用分別為：光源及照明系統(tǒng)用于產(chǎn)生供觀測和高速攝像用的準(zhǔn)直背景光；成像及高速攝影系統(tǒng)用于對待觀測溶滴或電弧進(jìn)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(zhuǎn)、光學(xué)系統(tǒng)及相機(jī)工作距離的調(diào)整等；高速數(shù)據(jù)采集及顯示分析系統(tǒng)用于完成高分辨率視頻圖像的數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲和分析等。

1.2 高速攝像系統(tǒng)的工作原理

高速攝像系統(tǒng)的工作原理是：通過在工作臺上精確調(diào)整高速攝像系統(tǒng)中各個組成部件的位置，使激光光源發(fā)出的小直徑平行激光束，通過高速攝像光學(xué)系統(tǒng)的擴(kuò)束部分?jǐn)U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(xiàn)在成像屏上，由高速攝像機(jī)拍攝，并通過數(shù)據(jù)接口傳至PC機(jī)上進(jìn)行分析研究。

2 高速攝像系統(tǒng)的組建

2.1 光源及照明系統(tǒng)

對光源及照明系統(tǒng)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(nèi)，且通過光源與照明系統(tǒng)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(kuò)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(qiáng)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(nèi)。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(jìn)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(tǒng)采用的激光發(fā)生器激光功率為50 mW，波長為635 nm。采用該發(fā)生器所發(fā)出的激光束是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的高斯光束，高斯光束在空間中的場分布函數(shù)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(chǎn)生一個附加位相差，在光學(xué)系統(tǒng)中需要采用對激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，壓縮遠(yuǎn)場發(fā)散角的方法來減小該附加位相差 （見圖2）。根據(jù)激光光學(xué)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(xué)系統(tǒng)焦距F為：

式中 ωi，max——準(zhǔn)直擴(kuò)束后激光束腰斑半徑。

準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 成像及高速攝影系統(tǒng)

成像及高速攝影系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、成像物鏡、濾光鏡等組成。高速攝像機(jī)是整個高速攝像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其重要的技術(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)有成像倍率、工作距離、光學(xué)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(tǒng)高速攝像機(jī)選用日本Photron公司產(chǎn)品FASTCAM 1024 PCI，主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）動態(tài)范圍較好，獲取圖像的灰度細(xì)節(jié)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(dú)立設(shè)置，現(xiàn)場適應(yīng)能力較好。

根據(jù)焊接電弧及熔滴過渡的成像特點(diǎn)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(tǒng)，可覆蓋1∶10至1∶1的成像倍率要求，且工作距離、光學(xué)分辨率、灰度識別范圍均可滿足要求。

2.3 工作臺

為了適應(yīng)管道焊接，設(shè)計的工作臺包括數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺和高速攝像技術(shù)工作臺。數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)半徑200 mm、最大回轉(zhuǎn)速度5 r/min；高速攝像技術(shù)工作臺可實(shí)現(xiàn)X軸和Z軸二維精確調(diào)整。

2.4 高速數(shù)據(jù)采集及顯示分析系統(tǒng)

高速數(shù)據(jù)采集及顯示分析系統(tǒng)主要由工業(yè)系統(tǒng)機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)1∶1屏幕顯示。

3 熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)在水下焊接中的應(yīng)用

由于水下高壓干法焊接在焊接艙內(nèi)進(jìn)行，因此空間受到一定的限制，必須將系統(tǒng)尺寸盡量壓縮（如圖3所示），因此，設(shè)計了如圖4所示的焊件轉(zhuǎn)動型實(shí)驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)。采用本系統(tǒng)可分別針對不同壓力下平焊、立焊、仰焊位置電弧形態(tài)及熔滴過渡進(jìn)行拍攝。圖5和圖6是利用本系統(tǒng)拍攝的0.2 MPa壓力下的水下焊接電弧形態(tài)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(diào)整濾光片及高速攝像機(jī)光圈大小等得到的熔滴過渡圖像?？梢娫撓到y(tǒng)能夠獲得清晰的水下焊接電弧和熔滴過渡照片。

4 結(jié)束語

（1）通過對熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)的原理分析及關(guān)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(tǒng)。

（2）本文成功地將高速攝像系統(tǒng)應(yīng)用于高壓干法水下焊接，拍攝高壓環(huán)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(rèn)識，為進(jìn)一步分析水下焊接過程，研究和改進(jìn)水下焊接工藝，保證水下焊接質(zhì)量提供依據(jù)。

[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(tǒng)[J]．焊接學(xué)報，2003，24（1）：19-22．

[3]朱志明，吳文楷，陳強(qiáng)．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(xué)報，2006，27（3）：29-33.

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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(yè)于天津大學(xué)，碩士，主要從事焊接工藝和設(shè)備的研究開發(fā)。

2010-10-25；

2011-05-04