一种应用特征谱线焊接熔池流动监测方法与流程

本发明涉及光谱检测领域，尤其是涉及一种应用特征谱线焊接熔池流动监测方法。

背景技术：

电弧焊时，在电弧的作用下，母材局部和填充金属均被加热融化形成熔池，冷却凝固后形成焊缝。所以为了进一步提高焊接效率和焊接质量，不仅要对焊接工艺参数进行探究，还要注重焊接过程。观测熔池的流动对我们了解焊缝质量、气孔缺陷及力学性能必不可少。

在工件成型过程中，熔池不仅受到热的作用，还受到力的作用。在电弧力和其他力的作用下熔池表面产生凹陷，液体金属被排向熔池尾部。由于熔池受到各种力的作用，因此熔池的流动过程较为复杂。受到高热量热源的影响，熔池发光强度很高，又由于杂光污染严重，使得观测熔池的难度加大。

当今，有研究者利用结构光或者激光作为辅助光源，消除电弧光的影响，但是设备较为昂贵，熔池图像清晰度不够；也有学者将CCD相机与滤光片结合，将灰度转换为熔池轮廓线，但是不能显示熔池的流动过程。

目前熔池监测领域依然存在很大不足，现有熔池观测技术不能清晰呈现熔池的流动过程，而且受到杂光的严重干扰。本方法可实时在正面监测熔池全貌，还可实时存储焊缝、熔池流动过程图像，为后续焊接质量改进及相关科学研究提供依据。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是上述背景技术的不足，提供一种基于特征谱线的焊接熔池流动监测方法，可以呈现熔池的正面流动图像。本发明在减少杂光干扰的基础上，通过观测不同坐标的示踪元素发出的光强变化来绘制熔池的流动图像，比传统的熔池监测方法更加清晰、有效。

为解决以上问题，本发明采用如下的技术方案:

一种基于特征谱线的焊接熔池流动监测方法,包括以下步骤：

步骤S1、将示踪元素呈带状充分附着在工件表面上形成示踪元素层；

步骤S2、工件和焊枪之间产生的电弧使工件和示踪元素层受热形成熔池，在焊接力的影响下，示踪元素和金属元素混合在一起向焊枪移动的反方向流动；

步骤S3、受到热源影响后，各元素被激发，发出不同的特征谱线，选取一个波段，使在这个波段内，示踪元素被激发时发出光强度最大，其他元素发出的光强度较小；

步骤S4、选取窄带滤光片，使步骤S3中所述波段的光通过，其他波段的光截止；

步骤S5、熔池发出的光经凸透镜聚焦放大后进入窄带滤光片，其他波段的光被窄带滤光片截止，只有特定波段的光可以通过滤光片进入到CCD相机中，在特定波段中，只有示踪元素发出的光强度最强，其他光强度较小；

步骤S6、根据CCD相机采集的光强，通过各个坐标上光强的变化，来模拟出熔池流动的迹线；

步骤S7、通过熔池流动的迹线，模拟出完整的熔池流动过程。

作为优选，凸透镜、减光片、窄带滤光片、CCD相机为一体，并且在同一轴线上。

作为优选，采用惰性气体保护熔池和示踪元素层，减少示踪元素被氧化的几率，减少氧化物发出的杂光带来的干扰。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有的熔池观测技术相比，可以有以下效果：

(1)本发明将熔池图像先用凸透镜放大后，增加了熔池图像的分辨率，减少了其余杂光的进入。

(2)只有示踪元素被激发时发出的特定波段的光可以通过窄带滤光片进入到CCD相机中。窄带滤光片的应用可以进一步减少杂光污染，当其它波段的光通过滤光片时被过滤掉。

(3)与传统的方式相比，通过观测示踪元素发出的光强度变化来监测熔池流动，可以充分地还原熔池的流动过程。

附图说明

图1是本发明焊接熔池流动监测方法采用系统的结构示意图；

示踪元素层-1 凸透镜-2 窄带滤光片-3

CCD相机-4 滑轨-5

图2是本发明示踪元素层的俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加具体、明白地被理解，下面结合附图对本发明所述的一种基于特征谱线的焊接熔池流动监测方法作进一步描述。

本发明焊接熔池流动监测方法采用监测系统，如图1所示，所述监测系统包括：凸透镜2、窄带滤光片3、CCD相机4、滑轨5，凸透镜2、窄带滤光片3、CCD相机4通过滑轨5固定在同一设备内，三者在同一轴线上，凸透镜2通过镜架安装在滑轨上，使得凸透镜2可以在滑轨5上移动；滤光片3固定在CCD相机4上：CCD相机4固定在滑轨5上。

一种基于特征谱线的焊接熔池流动监测方法，包括：

步骤S1、根据焊接保护气、离子气和焊接金属选取相应的示踪元素的成分。示踪元素不会与金属元素发生反应，且示踪元素在特定波段上发出的光的强度最大，其他元素发出的光在特定波段上光强较小。

步骤S2、将示踪元素充分呈带状附着在工件表面上形成金属示踪元素层1，带间距0.001mm到2mm，如图2所示，示踪元素层为粉末、颗粒及涂覆状，其厚度为0.001mm到1mm。

步骤S3、根据示踪元素的特征谱线选取相对应的窄带滤光片3，滤光片中心波长为示踪元素的发射光谱中的选取的特定波长，半高宽为1-10nm，使只有特定波段的光可以通过。

步骤S4、调整好凸透镜2、窄带滤光片3、CCD相机4的角度，使其光路对准被观测区域，并且其位置不妨碍焊接设备的正常工作。

步骤S5、调整凸透镜2和被观测区域的距离，根据凸透镜焦距，通过滑轨调整凸透镜和熔池的距离，使被观测区域图像可以清晰，完整地呈现在CCD相机中。

步骤S6、将焊接电源正极接工件，负极接焊枪，工件和焊枪之间产生的电弧使工件和示踪元素层受热形成熔池。示踪元素和金属元素受热后混合在一起形成熔池，向焊枪移动反方向流动。熔池中的示踪元素和金属元素受热源影响后被激发，发出包含选取的特定波长的光谱谱线。

步骤S7、在CCD相机4的光路中加上窄带滤光片3，被观测区域所发出的光被凸透镜2聚焦后通过窄带滤光片3，其中只有特定波段的光可以通过窄带滤光片3进入到CCD相机4中。在特定波段中，只有示踪元素发出的光强度最大，在CCD相机中呈现得最为明显。

步骤S8、示踪元素发出的光进入CCD相机中，通过采集到的被观测区域不同坐标处的光强随时间的变化趋势形成特征元素在焊接熔池中运动的迹线，经过专业软件处理后模拟出熔池的流动过程。

进一步，在示踪元素的发射光谱中所选取的特定波长，使示踪元素所发出的该波长的光强远大于工件金属元素和周围气体元素所发出的该波长的光强。

进一步，窄带滤光片3只让所选取的特定波段的光通过。

进一步，所述凸透镜2、滤光片3、CCD相机4置于同一装置内，并且可调节被观测区域的位置和角度。

进一步，CCD相机采集到的被观测区域图像只包含所选取的特定波段的光，可从光强分布随时间的变化中得出熔池的流动状态。

作为优选，采用惰性气体保护熔池和示踪元素层，减少示踪元素被氧化的几率，减少氧化物发出的杂光带来的干扰。

本发明的基于特征谱线的焊接熔池流动监测方法，可以正面实时监测熔池流动，在特定波段上，只有熔池中的示踪元素被激发时所放出的光强度最强，其他光强度较低，通过采集到的被观测区域光强变化趋势模拟出熔池的流动。本发明包含：凸透镜、窄带滤光片、CCD相机和专用处理软件。其中凸透镜、窄带滤光片、CCD相机为一整体，工作时跟随被观测区域平移，且轴线始终对准被观测区域。其中凸透镜和窄带滤光片根据实际需求使用，可以根据不同的焊接原材料或焊接方式更换不同的凸透镜和窄带滤光片。凸透镜位置可调，将熔池图像放大，尽可能避免杂光进入，使熔池图像清晰，均匀地呈现，尽可能真实地呈现熔池流动过程。附在工件表面的示踪元素在热源经过时被激发，其特征谱与其他光源不同。熔池发出的光经过凸透镜聚焦放大后，只有示踪元素发出特定波段的光可以明显映射在CCD相机的感光元器件中。最后将CCD相机拍到的连续图像经过软件处理，得到熔池的流动影像。