CN105983795B - 一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法 - Google Patents

一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及焊接技术领域，公开了一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，包括：根据预设角度和距离设置照明光源，并对准焊接点进行照明；所述照明光源辐射强度值范围为BL～BU；设置衰减镜片组接收并衰减焊接过程中焊接点和焊接点周边产生的辐射光，其光辐射强度设为A，以及所述照明光源照射在焊接点区域反射的照明光，其光辐射强度设为B；所述衰减镜片组至少包括一个衰减镜片，其辐射强度衰减值为T；设置实时成像显示设备，用于接收通过衰减镜片组的光线并进行成像；所述实时成像显示设备的感光度为L～U；本发明实现了熔池区域与熔池周边区同时可观察，其方法简单易于实现，工作稳定可靠，可广泛用于各种焊接系统的可视化监测。

Description

一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体的说，特别涉及一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法。
背景技术
在焊接过程中，操作者通过实时观察焊点熔化形成的熔池形态，以及焊接点周边表面诸如形状、颜色等特征的变化，有助于判定、优化焊接质量。同时，实时观察焊接熔池实际位置与预定焊接位置的偏差，可据此即时调整焊接位置。
焊接过程中被焊材料会经历熔化甚至电离等过程，在这些过程中会产生大量的高强度宽光谱光辐射，其强度远超过实时成像设备的正常成像感光度上限，运用诸如CCD、CMOS或人眼等常规实时成像设备，观察焊点熔池及其周边表面时只能得到白色过曝图像。
目前普遍采用的观察焊接熔池及周边表面的方法有两种，一种是采用宽光谱衰减镜片或镜片组对焊接产生的强光进行大幅度衰减，此方法可以通过成像设备或人眼观察到熔池区域，缺点如下：(1)如果衰减值设定在能够清楚观察熔池亮度最高的“小孔”区域，熔池外层结构区域乃至熔池周边的被焊材料表面会因光强衰减至成像设备光感应阈值以下无法看清；(2)如果设定衰减值降低，熔池小孔区域仍会被强光遮挡无法观察。
另一种方法是，寻找焊接过程中产生的光线强度较弱的频谱区域，选择对该频谱区近于单通的滤光镜片组进行滤光，并采用所述频谱区光源对焊点区域照明，缺点如下：(1)熔池小孔区域因在单通滤光片通光频谱区光线辐射较强仍会无法观察；(2)不同材料被焊接时产生的辐射光谱差异很大，因此该方法通用性受限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，实现了传统方法不能实现的熔池区域与熔池周边区同时可观察。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，该方法包括：
根据预设角度和距离设置照明光源，并对准焊接点进行照明；所述照明光源辐射强度值范围为BL～BU；
设置衰减镜片组接收并衰减焊接过程中焊接点和焊接点周边产生的辐射光，其光辐射强度设为A，以及所述照明光源照射在焊接点区域反射的照明光，其光辐射强度设为B；所述衰减镜片组至少包括一个衰减镜片，其辐射强度衰减值为T；
设置实时成像显示设备，用于接收通过衰减镜片组的光线并进行成像；所述实时成像显示设备的感光度为L～U；
通过所述衰减镜片组的光辐射强度(A+B)*T不超过实时成像显示设备的感光上限值U，光辐射强度A*T不超过实时成像显示设备的感光下限值L；所述L<BL*T且BU*T<U。
所述衰减镜片组能够置于实时成像显示设备之前或之后，所述实时成像显示设备包括光学镜片组和感光单元；
若置于之前，则焊接过程中在焊接点产生的辐射光和照明光源照射在焊接点区域反射的照明光经过衰减镜片组，由光学镜片组成像至感光单元；若置于之后，则焊接过程中在焊接点产生的辐射光和照明光源照射在焊接点区域反射的照明光经过光学镜片组成像，由衰减镜片组衰减后入射至感光单元。
所述衰减镜片组的材料包括光学玻璃和光学塑料；衰减镜片对波长为0-12微米频谱范围内透过率小于100％。
所述照明光源包括导体、半导体、气体发光介质光源。
所述实时成像显示设备包括CCD、CMOS。
所述照明光源采用波长为341.7nm的半导体激光器；衰减镜片组采用对波长200nm-5000nm透过率为10％的第一衰减镜片、对波长341±10nm透过率为70％的第二衰减镜片；实时成像显示设备采用光学镜片组和CCD摄像头；
所述半导体激光器以预设角度和距离对准第一衰减镜片、第二衰减镜片、光学镜片组和CCD摄像头同一直线依次设置在焊接点的旁轴位置处；第一衰减镜片、第二衰减镜片对焊接点处焊接时的辐射光以及半导体激光器照射在焊接点区域反射的照明光进行衰减，衰减后的光线进入光学镜片组，并在CCD摄像头中转换为可视图像。
所述照明光源采用波长为530nm的LED光源；衰减镜片组采用对波长380nm-2000nm透过率为8％的第三衰减镜片；实时成像显示设备采用光学镜片组和CCD摄像头；
所述LED光源以预设角度和距离对准焊接点，光学镜片组、第三衰减镜片和CCD摄像头由下之上依次同轴设置在焊接点上方；焊接时的辐射光以及LED光源照射在焊接点区域反射的照明光进入光学镜片组，并通过第三衰减镜片进行衰减，衰减后的光线进入CCD摄像头中转换为可视图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中通过设置照明光源和衰减镜片组，并通过实时成像显示设备进行成像，实现了传统方法不能实现的熔池区域与熔池周边区同时可观察，其方法简单易于实现，工作稳定可靠，可广泛用于各种焊接系统的可视化监测。
2、本发明中通过选择适当的衰减镜片组衰减值、照明光源的辐射频谱宽度及在此带宽上的亮度范围，可一次性适应各种不同材料焊接过程观察，其适用性广，并方便于调节。
附图说明
图1为本发明实施例一的原理示意图。
图2为本发明实施例二的原理示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明提供的一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，该方法包括：
设置照明光源对准焊接点进行照明，调整照明光源相对于所述焊接点满足预设角度和距离。
设置衰减镜片组接收并衰减焊接过程中焊接点和焊接点周边产生的辐射光，其光辐射强度设为A，以及所述照明光源照射在焊接点区域反射的照明光，其光辐射强度设为B。
设置实时成像显示设备接收通过所述衰减镜片组的光线并进行成像。
上述中，所述衰减镜片组至少包括一个衰减镜片，并对通过其自身的光辐射频谱中指定的频谱宽度须具有特定的辐射强度衰减值T，使通过所述衰减镜片组的光辐射强度(A+B)*T不超过实时成像显示设备的感光上限值U，光辐射强度A*T不超过实时成像显示设备的感光下限值L。
上述中，所述照明光源在指定的频谱宽度上须具有特定的辐射强度值范围BL～BU，使所述实时成像显示设备接收到的光辐射强度在其能够清晰成像的感光度L～U范围内，以观察焊接点熔池形态及其周边焊件表面。
上述中，所述照明光源相对于所述焊接点满足预设角度和预设距离，使L<BL*T且BU*T<U,此时所述实时成像显示设备对焊接点熔池形态及其周边焊件表面清晰成像。
本发明中，可将衰减镜片组置于实时成像显示设备之前或之后，所述实时成像显示设备包括光学镜片组和感光单元，具体分析如下：
若所述衰减镜片组置于实时成像显示设备的光学镜片组之前，则焊接过程中在焊接点产生的辐射光和照明光源照射在焊接点区域反射的照明光经过衰减镜片组，由光学镜片组成像至感光单元。
若所述衰减镜片组置于所述实时成像显示设备的光学镜片组之后，则焊接过程中在焊接点产生的辐射光和照明光源照射在焊接点区域反射的照明光经过光学镜片组成像，由衰减镜片组衰减后入射至感光单元。
本发明中，所述衰减镜片组的材料包括但不限于光学玻璃、光学塑料。衰减镜片包括但不限于对0-12微米波长范围内的某一指定电磁波，其频谱范围内透过率小于100％。
本发明中，所述照明光源包括但不限于导体、半导体、气体等发光介质光源。
本发明中，所述实时成像显示设备的感光单元包括但不限于CCD、CMOS或肉眼等。
下面通过具体实施例分析以上所述方法：
实施例一
如图1所示，本实例采用波长为341.7nm的半导体激光器2作为照明光源，并以适当角度和距离对准焊接点1，第一衰减镜片3、第二衰减镜片4、光学镜片组5和CCD摄像头6同一直线依次设置在焊接点1的旁轴位置处。由对波长200nm-5000nm透过率为10％的第一衰减镜片3、对波长341±10nm透过率为70％的第二衰减镜片4组合的衰减镜片组，对焊接点1处焊接时的辐射光以及半导体激光器2照射在焊接点1区域反射的照明光进行衰减，衰减后的光线进入光学镜片组5，并在CCD摄像头6中转换为可视图像。
本实施例实现对焊接熔池及其周边焊件表面的同时清晰成像基于以下原理：第一衰减镜片3对焊接点1焊接时的辐射光进行衰减，其衰减后的光辐射强度10％A小于CCD摄像头6的感光度上限值U，因此熔池区和周边区均不会过曝。第一衰减镜片3、第二衰减镜片4对半导体激光器2辐射的照明光进行衰减，其衰减后的光辐射强度7％B大于CCD摄像头6的感光度下限值L，因此调整半导体激光器2辐射的照明光以及相对于焊接点1的角度和距离，即可获得令人满意的成像照度。
实施例二
如图2所示，本实例采用波长约为530nm的LED光源7作为照明光源，并以适当角度和距离对准焊接点1，光学镜片组5、第三衰减镜片8、CCD摄像头6由下之上依次同轴设置在焊接点1上方。焊接时的辐射光以及LED光源7照射在焊接点1区域反射的照明光进入光学镜片组5，并随后由对波长380nm-2000nm范围透过率为8％的第三衰减镜片8进行衰减，衰减后的光线进入CCD摄像头6中转换为可视图像。
本实施例实现对焊接熔池及其周边焊件表面的同时清晰成像基于以下原理：第三衰减镜片8对焊接点1焊接时的辐射光进行衰减，其衰减后的光辐射强度8％A小于CCD摄像头6的感光度下限值L，因此熔池区和周边区均不会成像。第三衰减镜片8对LED光源7辐射的照明光进行衰减，其衰减后的光辐射强度8％B大于CCD摄像头6的感光度下限值L并小于上限值U，因此调整LED光源7的照明光以及相对于焊接点1的角度和距离，即可获得令人满意的成像照度。
上述实施例中，所公开的方法还可应用于采用其他光源作为照明光源的焊接可视监测系统中。实时成像显示设备还可以是CMOS相机等其他类似光电转换设备或人眼等。
上述实施例中，可将焊接过程的强光去除，得到十分清晰的熔池区和周边区域的成像。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：该方法包括：
根据预设角度和距离设置照明光源，并对准焊接点进行照明；所述照明光源辐射强度值范围为BL～BU；
设置衰减镜片组接收并衰减焊接过程中焊接点和焊接点周边产生的辐射光，其光辐射强度设为A，以及所述照明光源照射在焊接点区域反射的照明光，其光辐射强度设为B；所述衰减镜片组至少包括一个衰减镜片，其辐射强度衰减值为T；
设置实时成像显示设备，用于接收通过衰减镜片组的光线并进行成像；所述实时成像显示设备的感光度为L～U；
通过所述衰减镜片组的光辐射强度(A+B)*T不超过实时成像显示设备的感光上限值U，光辐射强度A*T不超过实时成像显示设备的感光下限值L；所述L<BL*T且BU*T<U。
2.根据权利要求1所述的可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：所述衰减镜片组能够置于实时成像显示设备之前或之后，所述实时成像显示设备包括光学镜片组和感光单元；
若置于之前，则焊接过程中在焊接点产生的辐射光和照明光源照射在焊接点区域反射的照明光经过衰减镜片组，由光学镜片组成像至感光单元；若置于之后，则焊接过程中在焊接点产生的辐射光和照明光源照射在焊接点区域反射的照明光经过光学镜片组成像，由衰减镜片组衰减后入射至感光单元。
3.根据权利要求1所述的可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：所述衰减镜片组的材料包括光学玻璃和光学塑料；衰减镜片对波长为0-12微米频谱范围内透过率小于100％。
4.根据权利要求1所述的可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：所述照明光源包括导体、半导体、气体发光介质光源。
5.根据权利要求1所述的可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：所述实时成像显示设备包括CCD、CMOS。
6.根据权利要求1所述的可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：所述照明光源采用波长为341.7nm的半导体激光器(2)；衰减镜片组采用对波长200nm-5000nm透过率为10％的第一衰减镜片(3)、对波长341±10nm透过率为70％的第二衰减镜片(4)；实时成像显示设备采用光学镜片组(5)和CCD摄像头(6)；
所述半导体激光器(2)以预设角度和距离对准第一衰减镜片(3)、第二衰减镜片(4)、光学镜片组(5)和CCD摄像头(6)同一直线依次设置在焊接点(1)的旁轴位置处；第一衰减镜片(3)、第二衰减镜片(4)对焊接点(1)处焊接时的辐射光以及半导体激光器(2)照射在焊接点(1)区域反射的照明光进行衰减，衰减后的光线进入光学镜片组(5)，并在CCD摄像头(6)中转换为可视图像。
7.根据权利要求1所述的可同时观察焊接熔池及焊件表面的方法，其特征在于：所述照明光源采用波长为530nm的LED光源(7)；衰减镜片组采用对波长380nm-2000nm透过率为8％的第三衰减镜片(8)；实时成像显示设备采用光学镜片组(5)和CCD摄像头(6)；
所述LED光源(7)以预设角度和距离对准焊接点，光学镜片组(5)、第三衰减镜片(8)和CCD摄像头(6)由下之上依次同轴设置在焊接点(1)上方；焊接时的辐射光以及LED光源(7)照射在焊接点(1)区域反射的照明光进入光学镜片组(5)，并通过第三衰减镜片(8)进行衰减，衰减后的光线进入CCD摄像头(6)中转换为可视图像。
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