基于高速影像的激光焊金属蒸汽周期性分析

基于高速影像的激光焊金属蒸汽周期性分析

刘桂谦．高向东

f广东工业大学机电工程学院．广东广州510006)

摘要：在激光焊接过程中，材料表面强烈气化，形成较强电离的金属蒸汽

显著屏蔽作用．大大降低了入射到材料内部的能量密度．影响焊接质量

这种致密的气体可v'A逆着光束入射方向传输，对激光有着

以10

kW大功率光纤连续激光焊接不锈钢钢板为试验对象，

应啊高速摄像机摄取金属蒸汽图像．将数据图像进行处理、分割，提取金属蒸汽面积特征值．作为衡量研究金属蒸汽周期性的稳定参

数

分析结果袁明．金属蒸汽图像的面积能有效地反映金属蒸汽周期性变化

关键词：大功率光纤激光焊接：金属蒸汽：图像处理中图分类号：TG456．7

文献标志码：B

0

引言

大功率光纤激光焊接具有功率密度高、焊接速

1试验装置

试验装置如图1所示，激光功率10kW．激光光斑直径480txm．激光波长1

030

度快、大深宽比和热影响区小等优点，已成为一种重要的焊接技术iI-27÷在激光焊接过程中，射光束的能量密度较大．使得熔化的金属汽化，并在熔池内部形成匙孔j同时，金属表面和匙孔内喷出的金属蒸汽，与部分保护气体的起始自由电子通过吸收光子能量被加速．直到有足够能量碰撞蒸汽粒子和保护气体使其电离，此时电子密度迅速增长。激光束与材料相互作用的过程是能量的传递与转换的过程，激光束可以透过匙孔直射到孑L底，将能量传递给焊件13l。金属材料的气化在熔池上方的激光传输通道上形成强电离的金属蒸汽，致密的金属蒸汽会折射、散射以及吸收激光能量，影响和改变激光对焊接材料的作用，降低激光的功率以及产生焦点变化，从而影响焊缝深度，降低焊接质量。

因此，通过对金属蒸汽图像分析获取金属蒸汽

nm．焊接速度4．5

m／rain，高速NAC摄像机的拍摄速度为2000幅／s，摄像机采集波段为紫外光波段加可见光波段，保护气体为氩气。试验采用平板堆焊，试件选用尺寸为

150mmxl00mmxl0mm的Type

304不锈钢板．试

件运动由工作台的精密伺服电动机驱动。

气瓶

粟

图l激光焊接试验装置示意图

特征参量．可为激光焊接过程实时控制提供理论与试验依据。

2金属蒸汽周期特点

图2为采集到的4幅连续金属蒸汽RGB彩色图

收稿日期：2012—12—04

像。当激光束作用在工件上，使得金属材料表面大量气化蒸发．迅速形成焊接小孑L，形成致密金属蒸汽云团，如图2a所示。试验激光束的能量密度大于10

W／cmz时．焊接材料的表面形成致密的金属蒸

基金项目：国家自然科学基金资助项目(5l175095)；广东省自然

科学基金资助项目(10251009001000001，

10251009001000001)；中国高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20104420110001)

8试验与研究

焊接技术第42卷第6期2013年6月

汽，增加激光能量的损耗，使得入射到T件表面的能量密度减弱．从而产生的金属蒸汽减少．直到渐渐消失二此时激光束又能直接照射到T件表面，产生大量的金属蒸汽，金属蒸汽的强度逐渐增大．再次屏蔽入射激光。金属蒸汽强度一直处于一种周期变化的过程中4一金属蒸汽对激光束产生折射、散射、吸收作用，减少激光对工件的照射．而金属蒸汽面积激增，如图2b所示，匙孑L内光束能量减少，金属蒸汽逐渐向上运动，如图2c所示。金属蒸汽逐渐消散，匙孑L内光束能量增加，金属蒸汽产生的作用加强，金属蒸汽逐渐向上运动，与T件分离．f}1图2d可看出，金属蒸汽又回到蒸发阶段，、

非线性滤波器，其原理是将一定范围邻域像素按灰度值大小排列，取中问值作为该点的输H{值：滤波所用的模板为3x3模板F，结果如图3c所示。

d)原始|冬l(b)灰度罔(【)巾值滤波

图3金属蒸汽图像灰度变换及中值滤波

3．2

自动阈值分割

常用的图像分割图像灰度分布的技术是阈值分

割方法，通过分析图像的灰度分布直方图，选择合适的阈值，将整个图像分割成几个不同的灰度区域，具体应用中最常见的技术是二值化分割二由于金属蒸汽与背景亮度有较大的差异，t选取为自动阈值j对图像二值化的方程为：

l，g(i，J)>￡

‘1’

g‘i，歹’2io，g(i，J)≤f’

式中：g(i，J)为图像灰度值；i，，分别为图像的坐标：

由此得到阈值分割图如图4a所示。图4a有非常多的杂乱飞溅，为提取有效的金属蒸汽面积．采

，+1

Ills

((¨，+1．5ms

用删除函数去除小面积区域，得到金属蒸汽图像，如图4b所示。

图2连续4幅金属蒸汽图像

3

图像处理

受各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化，由于强烈的辐射、高温、娴灰、飞溅、知1

T

误差、表面状态和T件热变形等的影响，会使高速摄像机所拍摄的图像存在大量的干扰和噪声．为了清晰提取金属蒸汽的图像信息，要对原始采集的图像进行预处理，降低干扰信号的影响，增强冈像特征信息，便于计算机分析和处理5『，

3．1

n)闽值分割罔像

(b)去E溅后H像

图4金属蒸汽阈值分割图像及去飞溅后图像

4提取金属蒸汽面积

从图4b中可以仔细观察到，金属蒸汽中间的亮度明显高于边缘部分，其为温度、密度集中的区域一稀薄的金属蒸汽有助于加强工件对激光的吸收．而致密的金属蒸汽会吸收激光能量，产生折射作用．令激光发牛．畸变并扩大光斑，影响焊接质量。因此．可以

图像变换与中值滤波

为获取图像的灰度信息，先将彩色RGB图像转

换为灰度图像，对图3a进行灰度变换，得到图31，图像滤波的目的是去除噪声，强化轮廓边缘，采用中值滤波对金属蒸汽图像进行处理二中值滤波器是

把金属蒸汽中温度最高、密度最大那部分面积提取m来，提取各时刻的金属蒸汽面积，如图5所示j

J挈|f象J于划、y幅

图5金属蒸汽面积曲线

统计分析得金属蒸汽的面积均值为5588像素．最大值为14048像素和最小值294像素j金属蒸汽的面积是呈周期性变化，由小变大，再由大变小定义周期辐数为金属蒸汽面积2个极小值点之间的图像幅数，如图6所示，l855幅到l867幅分为2个周期．

|冬|像JP列、／幅

图6金属蒸汽面积曲线(第1854幅到第1868幅)

从图6可以看f。f』，金属蒸汽面积分别在第l

855

幅、l

869幅、1867幅达到极小值，在3个极小面

积值包含2个金属蒸汽的产生周期／4和曰，对从第43幅到2480幅图像共分成621个周期。每个产生周期所包含的图像幅数如图7所示。

图7金属蒸汽周期曲线

对金属蒸汽周期的图像幅进行统计分析，得

到其所占的总比例：南表l得，周期幅

65％主要

在4．6幅变化，少数(1％)在10幅以上。最大值为12幅，最小为2幅，方差为2．6369，摄像机采集

的速度是2000幅／s，周期幅数均值为4．9855幅

试验条件下周期平均为2．492

7msj

表l蒸汽周期图像幅数统计

J封期幅数

(4幅

4～6幅

7-9幅

>：】0幅

个数115

406

92

8

昕lIi比例／ok

196515

5结论

(1)经过灰度转换、中值滤波、阈值分割能准确地提取大功率激光焊接紫外图像金属蒸汽的面积。

(2)根据图像面积的变化，定义2个面积极小值点为金属蒸汽变化周期，反映金属蒸汽产生的周期性变化程度．定量地计算出金属蒸汽周期变化的图像幅数，对研究金属蒸汽的周期性提供理论依据。

感谢日本大阪大学接合科学研究所片山实验室提供的焊接试验帮助。

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作者简介：刘桂谦(1988一)．男，硕{：研究生，研究向为焊接自

动化．

本文的通信作者为高向1,5：老师，电子邮箱：gaox“666@126m…