CN110091064B - 一种激光焊接过程蒸气羽烟运动速度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置。包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、触发装置和计算机；高速摄影系统包括高速相机、长焦微距镜头、带通滤光镜和石英保护镜片；高速相机水平安装在三脚架上；带通滤光镜和石英保护镜片安装在长焦微距镜头前；高速摄影系统通过触发装置进行触发和采集；高速摄影系统和触发装置通过计算机进行设置与数据保存。还公开了一种激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量方法。获取焊接过程中金属蒸气羽烟形态的图像信息，经处理过程，通过2D插值的方法，获得整个金属蒸气羽烟范围内的运动速度的分布。

Description

一种激光焊接过程蒸气羽烟运动速度的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接过程测量与控制领域，尤其涉及一种激光焊接过程属蒸气羽烟运动速度的测量装置及方法。

背景技术

在激光焊接中，金属蒸气羽烟的行为是激光焊接物理过程的一个很重要的特征。金属蒸气羽烟的特征反应着激光焊接过程小孔内部蒸发的状态；羽烟特征的变化也反映出了激光焊接过程小孔的稳定性。在激光焊接过程中，金属蒸气羽烟的变化频率快，其自发辐射强度相对于电弧焊接过程中电弧等离子体辐射强度低。受限于激光焊接复杂的工况条件，对金属蒸气的运动特征，特别是运动速度的获取一直是研究的一个难点。

现有关于激光焊接过程中的金属蒸气的研究中，一直缺少对金属蒸气羽烟运动速度直接测量的方法。因此，现有的研究中仅有通过金属蒸气羽烟的形态特征对金属蒸气羽烟进行表征的研究。如：姜涛通过激光焊接过程中金属蒸气羽烟的面积变化作为金属蒸气的变化特征进行定量表征；庞盛永等人通过激光焊接过程中金属蒸气羽烟的长度变化对金属蒸气的喷发速率进行表征。然而，这些方法存在一些缺点：

(1)现有的方法通过金属蒸气羽烟的长度或面积的变化来表征金属蒸气运动速度，仅能得到金属蒸气羽烟长度或面积的增长速率，无法反映出金属蒸气羽烟运动的方向；

(2)现有的方法仅能反映出金属蒸气羽烟变化的平均速率，无法对整个金属蒸气羽烟的运动速度分布进行测量。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可以全面地反映出激光焊接过程中金属蒸气羽烟更细节的运动状态，从而对金属蒸气羽烟的动态变化进行表征的测量装置及方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是获得整个金属蒸气羽烟的速度场。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置，包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、触发装置和计算机；所述高速摄影系统包括高速相机、长焦微距镜头、带通滤光镜和石英保护镜片；所述高速相机水平安装在三脚架上；所述带通滤光镜和所述石英保护镜片安装在所述长焦微距镜头前；所述高速摄影系统通过所述触发装置进行触发和采集；所述高速摄影系统和所述触发装置通过所述计算机进行设置与数据保存。

进一步地，所述石英保护镜片采用的材料是紫外石英玻璃。

激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置，其特征在于，包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、触发装置和计算机；

所述高速摄影系统包括高速相机、长焦微距镜头、带通滤光镜和石英保护镜片；

所述高速相机水平安装在三脚架上；

所述带通滤光镜和所述石英保护镜片安装在所述长焦微距镜头前；

所述高速摄影系统通过所述触发装置进行触发和采集，

所述高速摄影系统和所述触发装置通过所述计算机进行设置与数据保存。

进一步地，所述石英保护镜片采用的材料是紫外石英玻璃。

进一步地，所述带通滤光镜允许通过的波长为350～950nm，可以保护所述高速相机不受到波长为1070nm的焊接激光光源的干扰。

进一步地，试样固定在所述行走平台上，所述行走平台可朝焊接方向的反向移动。

一种激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、通过标定板获取所述高速相机采集画面的标尺；

步骤二、设置所述触发装置输出触发信号的频率；

步骤三、启动所述触发装置，触发所述高速相机开始采集；

步骤四、启动所述焊接激光器与行走平台；获取金属蒸气羽烟在不同时刻的轮廓；

步骤五、保存有效的数据；

步骤六、利用所述计算机计算金属蒸气羽烟运动速度。

进一步地，所述计算金属蒸气羽烟运动速度的方法基于matlab平台提供的图像处理和滤波函数，处理过程包括：

a)对采集的图像进行处理和提取，去除冗余部分，获得金属蒸气羽烟的图像；

b)设置感兴趣区域(Region of interest，ROI区域)，并通过对感兴趣区域进行预处理，获得包含金属蒸气羽烟的边缘信息的图像；

c)将图像以一定尺寸分割为多个子区域，寻找相邻两幅图像的相同子区域中具有联系的块；

d)通过相邻两幅图像的相同子区域之间的联系，计算相同子区域内金属蒸气羽烟的运动速度；

e)通过2D高斯插值，获取整个图像范围内羽烟运动的速度场分布。

进一步地，所述处理过程对金属蒸气羽烟形态采集到的图像的处理和提取的具体过程如下：

1)将采集到的图像转换为二值化图；

2)对二值化图进行膨胀处理；

3)对膨胀后的二值化图内的分离的部分逐一进行标记；

4)通过设置的焊接激光作用点区域确认金属蒸气羽烟部分所在的标签；

5)去除标签以外的其他冗余部分。

进一步地，所述处理过程对金属蒸气羽烟的边缘信息的图像获取基于matlab的高通滤波函数，处理的具体过程如下：

1)设置感兴趣区域，将感兴趣区域的图像通过二维傅立叶进行变换；

2)通过matlab的高通滤波函数对变换后的感兴趣区域的图像进行滤波；

3)将高通滤波函数处理过的感兴趣区域的图像进行二维傅立叶逆变换，获得仅包含边缘信息的图像。

进一步地，所述处理过程将图像在t时刻的图像分割为块A和包含块A的子区域B，在t+Δt时刻的图像中对应的子区域B’中寻找与t时刻的块A关联度最高的块A’，块与块之间的关联度通过以下关联度公式进行评估：

max(δ(m,n))→(Δx,Δy)

所述关联度公式中A(i,j)是t时刻的子区域B中块A内(i,j)坐标位置像素点的强度，A'(i+m,j+n)是t+Δt时刻相应的子区域B’中相同尺寸大小的块A’内(i+m,j+n)坐标位置像素点的强度，(m,n)是块A和块A’之间的相对坐标位移；

对于相对坐标位移(m,n)取不同值，当所述关联度公式中δ(m,n)取得最大值时，说明t时刻的块A内的金属蒸气羽烟经过Δt运动到了t+Δt时刻的块A’位置，此时，块A和块A’之间的相对坐标(m,n)就是子区域B内金属蒸气羽烟在t～t+Δt时间内的位移(Δx,Δy)，在Δt时间内的x方向运动速率为u＝Δx/Δt，在Δt时间内的y方向运动速率为v＝Δy/Δt。

进一步地，所述处理过程中流体速度场分布服从于二维椭圆形高斯函数分布，其插值函数表达式为：

v(x,y)＝aexp{b₂₀(x-Δx)²+b₁₁(x-Δx)(y-Δy)+b₀₂(y-Δy)²}

＝exp{c₀₀+c₁₀x+c₂₀x²+c₀₁y+c₁₁xy+c₀₂y²}

所述插值函数表达式中(Δx,Δy)是服从二维椭圆形高斯函数分布的速度场v(x,y)取得极值的坐标点，{c₀₀,c₁₀,c₂₀,c₀₁,c₁₁,c₀₂}是二维椭圆形高斯函数的系数；

所述二维椭圆形高斯函数的系数通过空间中不同位置的采样点(X+i,Y+j)，对于i,j＝0,±1测量得到的速度值V_X+i,Y+j得到，各项系数的表达式为：

进一步地，高速相机通过长焦微距镜头聚焦于试样上激光作用光斑的上方。

进一步地，带通滤光片允许通过的波长为350～950nm，金属蒸气羽烟自发辐射的光谱主要集中于这个范围内，并且可以保护高速相机不受到焊接激光光源(1070nm)的干扰。

进一步地，石英保护镜片采用的是紫外石英玻璃，在185nm～2500nm范围内的光均具有良好的通过性，其作用是为了防止焊接过程中产生的飞溅损伤长焦微距镜头和带通滤光片。

进一步地，在激光焊接过程中，由于焊接激光的能量输入高，激光作用的试样表面会产生强烈的蒸发，并形成小孔。小孔内产生的金属蒸气向匙孔外逃逸，在试板上方形成烟雾状的金属蒸气羽烟。由于激光焊接过程中金属蒸气羽烟的温度高，羽烟中的粒子由于能级轨道电子跃迁而产生自发辐射，主要集中于紫外和可见光段。在350～950nm的范围内辐射光，可以通过所述石英保护镜片和所述带通滤光镜被所述高速相机记录下来。

本发明的技术效果：

1)获取焊接过程中金属蒸气羽烟形态的图像信息。

2)通过图像处理获得金属蒸气羽烟边缘信息，并建立在不同时刻之间相同区域内金属蒸气羽烟边缘的关联。

3)根据所建立不同时刻之间相同区域内金属蒸气羽烟边缘的关联，获得金属蒸气羽烟边缘的运动速度大小和方向。

4)根据计算金属蒸气羽烟边缘的运动速度，通过2D插值的方法，获得整个金属蒸气羽烟范围内的运动速度的分布。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的激光焊接过程金属蒸气羽烟的采集原理示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的金属蒸气羽烟图像获取过程的流程图；

图4是本发明的一个较佳实施例的金属蒸气羽烟运动速度场分布的测量图像；

图5是本发明的一个较佳实施例的金属蒸气羽烟图像提取的过程图；

图6是本发明的一个较佳实施例的金属蒸气羽烟图像预处理过程图；

图7是本发明的一个较佳实施例的金属蒸气羽烟图像的分割与子区域内的关联图；

图8是本发明的一个较佳实施例的金属蒸气羽烟图像通过2D高斯插值获得流体的速度矢量图；

其中，1-焊接激光器，2-行走平台，3-高速摄影系统，4-触发装置，5-计算机，6-金属蒸气羽烟，7-焊接激光，31-高速相机，32-长焦微距镜头，33-带通滤光镜，34-石英保护镜片。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明装置包括焊接激光器1、行走平台2、高速摄影系统3、触发装置4和计算机5，其中，高速摄影系统3包括高速相机31、长焦微距镜头32、带通滤光镜33和石英保护镜片34。在焊接过程中，测试试样固定在行走平台2上，焊接激光器1保持不动，行走平台2朝焊接方向反向运动，从而保证在采集画面中焊接激光光斑作用于试样的位置固定不变。高速相机31水平安装在三脚架上，通过长焦微距镜头32聚焦于测试试样上激光作用光斑的上方；在长焦微距镜头32前安装有带通滤光镜33和石英保护镜片34。其中带通滤光镜33允许通过的波长为350～950nm，金属蒸气羽烟自发辐射的光谱主要集中于这个范围内，并且可以保护高速相机31不受到焊接激光光源(1070nm)的干扰。石英保护镜片34采用的是紫外石英玻璃，在185nm～2500nm范围内的光均具有良好的通过性，其作用是为了防止焊接过程中产生的飞溅和羽烟损伤长焦微距镜头32和带通滤光镜33。所述的高速摄影系统3通过触发装置4进行触发和采集，所述的高速摄影系统3和触发装置4通过计算机5进行设置与数据保存。

如图2所示，激光焊接过程金属蒸气羽烟的采集原理，在激光焊接过程中，焊接激光7作用在试样表面上，由于焊接激光7的能量输入高，会产生强烈的蒸发，并形成小孔。小孔内产生的金属蒸气向匙孔外逃逸，在试板上方形成烟雾状的金属蒸气羽烟6。由于激光焊接过程中金属蒸气羽烟6的温度高，羽烟中的粒子由于能级轨道电子跃迁而产生的自发辐射，主要集中于紫外和可见光段。在350～950nm的范围内辐射光，可以通过带通滤光镜33和石英保护镜片34被高速相机31记录下来。

如图3所示，本发明的金属蒸气羽烟图像获取过程的流程，金属蒸气羽烟图像获取的步骤：

1)通过标定板获取高速相机31采集画面的标尺；

2)通过计算机5设置触发装置4输出触发信号的频率，为保证测量的精度需要设置31高速相机的触发频率在每秒10000帧以上；

3)启动触发装置4，触发高速相机31开始采集；

4)同时启动焊接激光器1和行走平台2，获取金属蒸气羽烟在不同时刻的轮廓；

5)通过计算机5保存有效的数据。

如图4所示，本发明的金属蒸气羽烟运动速度场分布的测量图像，测量图像处理及速度的计算均基于matlab程序，处理的过程如下：

a)对采集的图像进行处理和提取，去除冗余部分，获得金属蒸气羽烟的形态；

b)设置感兴趣区域(Region of interest，ROI区域)，并通过对感兴趣区域进行预处理，获得包含金属蒸气羽烟的边缘信息的图像；

c)将图像以一定尺寸分割为多个子区域，寻找相邻两幅图像的相同子区域中具有联系的块；

d)通过相邻两幅图像的相同子区域之间的联系，计算相同子区域内金属蒸气羽烟的运动速度；

e)通过2D高斯插值，获取整个图像范围内流体的速度场分布。

如图5所示，本发明的金属蒸气羽烟图像提取的过程，通过图像处理的手段，将与小孔相连接的金属蒸气羽烟在采集的图像中进行分割，并将冗余的部分(飞溅，离散的羽烟等)从图像去除出来。其具体过程如下：

1)将采集到的图像转换为二值化图；

2)对二值化图进行膨胀处理；

3)对膨胀后的二值化图内的分离的部分逐一进行标记；

4)通过设置的焊接激光作用点区域确认金属蒸气羽烟部分所在的标签；

5)去除标签以外的其他冗余部分。

如图6所示，本发明的金属蒸气羽烟图像预处理过程，基于matlab的高通滤波处理得到金属蒸气羽烟的边缘信息，以获得仅包含羽烟边缘信息的增强图像。处理的过程如下：

1)设置感兴趣区域，将感兴趣区域的图像通过二维傅立叶进行变换；

2)通过matlab的高通滤波函数对变换后的感兴趣区域的图像进行滤波；

3)将高通滤波函数处理过的感兴趣区域的图像进行二维傅立叶逆变换，获得仅包含边缘信息的图像。

如图7所示，本发明通过对金属蒸气羽烟图像的分割与子区域内的关联，将图像在t时刻的图像分割为块A和包含块A的子区域B。本发明的一个较佳实施例中，块A和块A’的尺寸为20*20像素点，子区域B和B’的尺寸为40*40像素点。相邻两幅图像中块与块之间的关联度通过以下关联度公式进行评估：

max(δ(m,n))→(Δx,Δy)

所述关联度公式中A(i,j)是t时刻的子区域B中块A内(i,j)坐标位置像素点的强度，A'(i+m,j+n)是t+Δt时刻相应的子区域B’中相同尺寸大小的块A’内(i+m,j+n)坐标位置像素点的强度，(m,n)是块A和块A’之间的相对坐标位移；

对于相对坐标位移(m,n)取不同值，当所述关联度公式中δ(m,n)取得最大值时，说明t时刻的块A内的金属蒸气羽烟经过Δt运动到了t+Δt时刻的块A’位置，此时，块A和块A’之间的相对坐标(m,n)就是子区域B内金属蒸气羽烟在t～t+Δt时间内的位移(Δx,Δy)，在Δt时间内的x方向运动速率为u＝Δx/Δt，在Δt时间内的y方向运动速率为v＝Δy/Δt。

如图8所示，本发明的金属蒸气羽烟图像通过2D高斯插值获得流体的速度矢量图，在得到金属蒸气羽烟边缘的运动速率后，因为流体速度场的连续性，可以通过二维插值的方法得到整个金属蒸气羽烟范围内流体的速度场分布。基于matlab程序，通过平滑化和2D高斯插值得到金属蒸气羽烟范围内流体速度场的分布。

流体速度场分布服从于二维椭圆形高斯函数分布，其插值函数表达式为：

v(x,y)＝aexp{b₂₀(x-Δx)²+b₁₁(x-Δx)(y-Δy)+b₀₂(y-Δy)²}

＝exp{c₀₀+c₁₀x+c₂₀x²+c₀₁y+c₁₁xy+c₀₂y²}

其中，(Δx,Δy)是服从二维椭圆形高斯函数分布的速度场v(x,y)取得极值的坐标点，{c₀₀,c₁₀,c₂₀,c₀₁,c₁₁,c₀₂}是二维椭圆形高斯函数的系数，通过空间中不同位置的采样点(X+i,Y+j)，对于i,j＝0,±1测量得到的速度值V_X+i,Y+j得到，各项系数的表达式为：

通过线性回归所得到的系数{c₀₀,c₁₀,c₂₀,c₀₁,c₁₁,c₀₂}，代入二维椭圆型高斯插值函数v(x,y)中，可以得到插值函数v(x,y)的表达式，进一步得到金属蒸气羽烟范围内流体速度场的分布。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置，其特征在于，包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、触发装置和计算机；

所述高速摄影系统包括高速相机、长焦微距镜头、带通滤光镜和石英保护镜片；

所述高速相机水平安装在三脚架上；

所述带通滤光镜和所述石英保护镜片安装在所述长焦微距镜头前；所述石英保护镜片采用的材料是紫外石英玻璃，其作用为防止滤光镜和镜头受到飞溅和羽烟的伤害；所述带通滤光镜允许通过的波长为350～950nm，可以保护所述高速相机不受到波长为1070nm的焊接激光光源的干扰，同时允许可见光谱范围内的金属羽烟辐射通过滤光镜；

所述高速摄影系统通过所述触发装置进行触发和采集；

所述高速摄影系统和所述触发装置通过所述计算机进行设置与数据保存。

2.一种利用如权利要求1所述的激光焊接过程金属蒸气羽烟运动速度的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过标定板获取所述高速相机采集画面的标尺；

步骤二、设置所述触发装置输出触发信号的频率；

步骤三、启动所述触发装置，触发所述高速相机开始采集；

步骤四、启动所述焊接激光器与行走平台；获取金属蒸气羽烟在不同时刻的轮廓；

步骤五、保存有效的数据至计算机，并通过matlab平台提供的图像处理和滤波函数计算金属羽烟的运动速度；

步骤六、对采集的图像进行处理和提取，去除冗余部分，获得金属蒸气羽烟的形态；

步骤七、设置感兴趣区域(Region of interest，ROI区域)，并通过对感兴趣区域进行预处理，获得包含金属蒸气羽烟的边缘信息的图像；

步骤八、将图像以一定尺寸分割为多个子区域，寻找相邻两幅图像的相同子区域中具有联系的块；

步骤九、通过相邻两幅图像的相同子区域之间的联系，计算相同子区域内金属蒸气羽烟的运动速度；

步骤十、通过2D高斯插值，获取整个图像范围内流体的速度场分布。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤六中对金属蒸气羽烟形态采集到的图像的处理和提取的具体过程如下：

1)将采集到的图像转换为二值化图；

2)对二值化图进行膨胀处理；

3)对膨胀后的二值化图内的分离的部分逐一进行标记；

4)通过设置的焊接激光作用点区域确认金属蒸气羽烟部分所在的标签；

5)去除标签以外的其他冗余部分。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤七中对金属蒸气羽烟的边缘信息的图像获取基于matlab的高通滤波函数，处理的具体过程如下：

1)设置感兴趣区域，将感兴趣区域的图像通过二维傅立叶进行变换；

2)通过matlab的高通滤波函数对变换后的感兴趣区域的图像进行滤波；

3)将高通滤波函数处理过的感兴趣区域的图像进行二维傅立叶逆变换，获得仅包含边缘信息的图像。

5.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤八中将图像在t时刻的图像分割为块A和包含块A的子区域B，在t+Δt时刻的图像中对应的子区域B’中寻找与t时刻的块A关联度最高的块A’，块与块之间的关联度通过以下关联度公式进行评估：

max(δ(m，n))→(Δx，Δy)，

所述步骤九中，当关联度公式中A(i，j)是t时刻的子区域B中块A内(i，j)坐标位置像素点的强度，A'(i+m，j+n)是t+Δt时刻相应的子区域B’中相同尺寸大小的块A’内(i+m，j+n)坐标位置像素点的强度，(m，n)是块A和块A’之间的相对坐标位移；

对于相对坐标位移(m，n)取不同值，当所述关联度公式中δ(m，n)取得最大值时，说明t时刻的块A内的金属蒸气羽烟经过Δt运动到了t+Δt时刻的块A’位置，此时，块A和块A’之间的相对坐标(m，n)就是子区域B内金属蒸气羽烟在t～t+Δt时间内的位移(Δx，Δy)，在Δt时间内的x方向运动速率为u＝Δx/Δt，在Δt时间内的y方向运动速率为v＝Δy/Δt。

6.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤十中流体速度场分布服从于二维椭圆形高斯函数分布，其插值函数表达式为：

v(x，y)＝aexp{b₂₀(x-Δx)²+b₁₁(x-Δx)(y-Δy)+b₀₂(y-Δy)²}

＝exp{c₀₀+c₁₀x+c₂₀x²+c₀₁y+c₁₁xy+c₀₂y²}，

所述插值函数表达式中(Δx，Δy)是服从二维椭圆形高斯函数分布的速度场v(x，y)取得极值的坐标点，{c₀₀，c₁₀，c₂₀，c₀₁，c₁₁，c₀₂}是二维椭圆形高斯函数的系数；

所述二维椭圆形高斯函数的系数通过空间中不同位置的采样点(X+i，Y+j)，对于i,j＝0,±1测量得到的速度值V_X+i,Y+j得到，各项系数的表达式为：

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