熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置及其分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于熔化极脉冲氩弧焊（P-MIG)的，特别涉及一种利用数字图像处理技 术分析P-MIG熔滴的滴落速度的装置及其分析方法。
【背景技术】
[0002] 熔化极脉冲氩弧焊（P-MIG)是使用焊丝作为熔化电极，惰性气体Ar或Ar+He作为 保护气体，利用脉冲电流控制熔滴过渡的电弧焊方法。由于其具有可控热输入，焊缝成形质 量好，工艺适应性宽以及特别适用于有色金属的焊接等优点，使其成为工业上广泛应用的 一种焊接工艺。
[0003] 焊接过程中，焊丝被高温电弧加热熔化形成熔滴过渡到熔池中，向熔池传输热量， 动量和质量，对最终熔池的凝固和焊缝成形质量会产生很大的影响，因此分析熔滴在电弧 中的过渡过程至关重要。
[0004] 一直以来，对熔化极气体保护焊熔滴的过渡研宄颇多。Waszink. H.和Graat，L. H. J等在1983年通过实验的手段分析了作用在熔滴上的力，并提出了两种熔滴过渡理论： 静力平衡理论和箍缩不稳定理论，为后续的研宄和模拟奠定了理论基础。Lancaster在 1984年提出熔滴的过渡过程分为3个阶段：分离，滴落转移和坠入熔池。Kou在1987年提 出了熔化极气体保护焊熔滴的3种不同过渡模式：短路过渡，滴状过渡和喷射过渡。Y-S. KIM和T. W. EAGAR在1993年借助于高速摄影技术分析了熔化极气体保护焊熔滴的过渡模 式，预测了熔滴的尺寸，并提出了之前理论的限制条件。熔滴过渡理论和过渡模式的提出只 是熔滴过渡行为的基础性研宄，并未涉及熔滴在电弧中的滴落过程。在已有的关于熔滴滴 落过程行为分析的文献中，大部分都集中在熔滴的分离阶段和坠入熔池后的状态，对熔滴 在整个电弧氛围中的滴落运动状态分析的较少。发明专利《一种电弧焊熔滴过渡过程稳定 性的定量评价方法》公开号102430835A，公开了该方法首先将弧焊过程中的电压电流信号 进行自相关分析，求解所有峰值的位置信息并形成序列peakPosition，再计算相邻峰的间 距得到间距序列space，最后求间距序列的变异系数varCoef，将该量化值作为定量评价电 弧焊熔滴过渡过程稳定性程度的参数。另外，发明专利《脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡的 光谱控制法》公开号1291534A，公开了该方法是利用光谱检测系统，选择电弧和熔滴测试截 面上的特征谱线，将光谱信号转换为足够强度的电信号，经模数转换后输入微机处理，输出 的控制信号再经过PWM调制输出驱动脉冲信号驱动IGBT实施切变电流动作，达到一脉一滴 的控制目的。这两个专利分别公开了熔滴过渡过程稳定性的评定方法以及控制熔滴过渡过 程的方法，而并未涉及P-MIG熔滴滴落过程的分析。之后关于熔滴在电弧中滴落过程的研 宄大部分都是基于数值模拟和借助高速摄影技术。J. Haidar和.J. Lowke采用数值模拟方 法预测了熔滴的形成过程。F. L Zhu等模拟了熔化极气体保护焊熔滴整个滴落过渡过程。 S. SUBRAMANIAM和D. R. WHITE等研宄了保护气体成分对熔滴表面张力的影响，借助于高速 摄影技术，观察到了过渡过程中熔滴的震荡现象，并依据于此震荡频率计算出了熔滴的表 面张力。但这些方法均存在如下不足：
[0005] 1、采用数值模拟技术分析熔滴过渡过程的相关特性，过于简化了熔滴受力、电弧 气氛等诸多关联因数，虽然有一定的积极效果，但必定与实际情况有很大的误差，其准确性 和实际指导意义有待提尚。
[0006] 2、基于高速摄影技术所得到图像目前的研宄分析，大部分是依据图片进行定性 的，或者是粗略的定量（如熔滴震荡等），分析的精确度不高，且对熔滴整个滴落过程的速 度也没有进行分析。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的，是针对以上关于P-MIG熔滴过渡过程分析研宄的不足以及现有技 术存在的问题，提供一种P-MIG熔滴过渡过程实时监测装置以及监测方法。该装置由焊接 部分和高速摄像采集部分两部分组成。其中，焊接部分由LINCOLN公司的V350型焊机，送 丝机和Q235钢被焊板材组成；高速摄像采集部分由FASTCAM-Super IOKC型高速摄像机、镜 头、背光光源氙灯和计算机系统组成。
[0008] 本发明公开的一种分析P-MIG熔滴过渡过程数字图像处理方法，是通过MATLAB软 件编程实现对过渡熔滴边缘轮廓的精确提取，并对熔滴的质心进行标记，继而准确算出熔 滴在电弧空间过渡时的速度大小。
[0009] 本发明通过数字图像处理技术得到熔化极脉冲氩弧焊（P-MIG)熔滴在电弧中的 过渡过程，即熔滴在电弧空间中过渡时的速度曲线图。通过高速摄像机拍摄每一个熔滴的 过渡过程，得到一组连续的图片，再用数字图像处理软件（MTLAB)提取熔滴的轮廓，并拟 合得到熔滴的质心。这样，每一张图片上熔滴的质心像素坐标就确定了，高速摄像机的频帧 是已知的，则两幅照片的时间间隔就能确定，假设相邻两幅照片上的熔滴质心像素坐标分 别为（X 1, Y1)和（x2, y2)。则熔滴在这段时间的速度V可近似认为：
【主权项】
1. 一种分析熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置，包括焊接部分和高速摄像采集 部分；其特征是，所述焊接部分为焊机、送丝机和板材，所述高速摄像采集部分为高速摄像 机、镜头、氙灯和计算机系统。
2. 根据权利要求1所述的一种分析熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置，其特征 是，所述焊机为LINCOLN公司生产的V350型焊机，所述高速摄像机为FASTCAM-SuperlOKC 型高速摄像机，采样频率为2000Hz，分辨率为256*120。
3. 根据权利要求1所述的一种分析熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置，其特征 是，在搭建试验平台时，所述高速摄像机的镜头和作为背光光源的氙灯所在的直线与被焊 母材平面平行，以减少测量误差。
4. 权利要求1的分析熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置的分析方法，通过数字图 像处理MATLAB软件编程实现对过渡熔滴边缘轮廓的精确提取，并对熔滴的质心进行标记， 继而准确计算出熔滴在电弧空间的过渡速度；具有以下步骤： (1) 通过高速摄像机拍摄得到一组连续的熔滴过渡过程的图像； (2) 利用数字图像处理MATLAB软件对步骤（1)采集的图像进行灰度变换； (3) 再对步骤（2)的图像运用中值滤波器去除图像的噪声，并用中值滤波器对图像进 行平滑去噪处理； (4) 采用直方图规定化的方法增强图片的对比度； (5) 采用Log函数对图像进行边缘提取，再删除小面积对象，即图片中未滤去的噪点； (6) 再用数字图像处理MATLAB软件提取熔滴的轮廓，采用最小二乘法对熔滴的边缘进 行拟合，并得到熔滴的质心； (7) 设相邻两幅照片上的熔滴质心像素坐标分别为（Xl，yi)和（x2, y2)，则熔滴在这段时 间的速度V可近似认为：
其中，1是根据焊丝直径所对应的像素数目从而推得的单个像素点对应的实际大小，dt 是相邻图片的时间间隔；将求得的所有速度坐标点连接起来就得到熔滴在电弧空间的速度 曲线图。
5. 根据权利要求4的分析熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置的分析方法，其特征 是，所述熔滴在电弧空间的过渡速度分布特点为：熔滴在弧柱区做加速运动，在近阴极区和 近阳极区做减速运动，且近阴极区减速幅度较大。
【专利摘要】本发明公开了一种分析熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落速度的装置及其方法，包括焊接部分和高速摄像采集部分。通过高速摄像机拍摄每一个熔滴的过渡过程，得到一组连续图片，再用数字图像处理软件(MATLAB)提取熔滴的轮廓，并拟合得到熔滴的质心。通过熔滴相邻两张图片的质心距离，以及拍摄频率就可得到熔滴的速度。将求得的所有速度坐标点连接起来就获得熔滴在电弧中过渡时的精确速度曲线图。基于该曲线就可分析熔滴动能变化情况，加速度变化情况以及受力变化情况，进而可准确掌握熔滴在滴落过程中的状态变化。本发明也适用于一般熔化极气体保护焊(如直流、交流的MIG\MAG)的滴状过渡分析。
【IPC分类】B23K31-12
【公开号】CN104858559
【申请号】CN201510229590
【发明人】吕小青, 张鹏, 徐连勇, 荆洪阳, 韩永典
【申请人】天津大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月7日