CN1963663A - 二氧化碳激光－熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳激光－熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，属于焊接过程研究技术领域。本发明包括：半导体激光器、扩束管、三维光学调整架、多层紫外增透片、圆偏振片组合、干涉滤光片、摄影镜头、转接头、摄影机。其中半导体激光器、扩束管和三维光学调整架组成光源机构；多层紫外增透片、圆偏振片组合、干涉滤光片和摄影镜头组成成像机构；摄影机与转接头组成摄影机构；光源机构位于拍摄对象一侧，成像机构和摄影机构通过转接头连接，位于拍摄对象另一侧并于光源机构同轴放置。本发明很好的解决了大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程中等离子体和弧光双重遮蔽下熔滴的高速图像拍摄问题。

Description

二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统

技术领域

本发明涉及的是一种焊接技术领域的摄影系统，特别是一种二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统。

背景技术

焊接电弧现象由于熔滴过渡频率高(一般为几十赫兹)，熔滴被笼罩在强烈的电弧光中，且熔滴过渡速度快(可达每秒几十米)等特点。用肉眼无法直接观察，必须用高速摄像或者摄影的方法进行观察研究。目前焊接过程研究普遍使用的高速摄影系统由光源部分、扩束部分、成像部分和摄影部分组成。其中光源部分一般采用固定功率的气体激光器，经过扩束后形成一定尺寸的光斑，光束穿过焊丝熔化区域，由成像部分的透镜进行会聚，再通过小孔光阑及干涉滤光片到达成像屏形成焊丝的阴影像，最后由摄影部分进行拍摄。上述传统高速摄影系统，可以应用于药芯焊丝、熔化极气体保护焊短路过渡焊接以及熔化极气体保护焊脉冲焊接等过程的研究，但对于输入功率在6千瓦以上的大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程的研究则无法采用。原因在于大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程中除了熔化极氩弧焊脉冲焊接会带来的弧光影响外，还存在着大功率二氧化碳在熔化金属时产生的大量的高亮度等离子体，用传统弧焊高速摄影系统无法拍摄到由等离子体和弧光双重遮蔽的熔滴行为，因此对大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接机理研究造成了障碍。

经对现有技术的文献检索发现，李桓在《中国机械工程》2002年5月第13卷第9期上发表了题为“熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高速摄影”的论文，采用波长为632.8nm的氦氖激光器，显微目镜及凸透镜组成的扩束镜，由中心波长632.8nm、透过宽度约1％、透过率为70％的干涉滤光片、成像物镜、小孔光阑组成的成像部分和标准底片光学补偿式高速摄影机(德国产，Pentazet35型，35mm底片)，对熔化极电弧焊过程进行研究。其中选用电弧光幅值较弱的632.8nm窗口段，进行背光和干涉滤光片的匹配，以及针对熔化极电弧现象的特性进行合适的放大率、拍摄频率的选择，灵活的选择分幅与转向等都对提高拍摄质量起了很大的作用。但由于采用固定功率的氦氖激光器，在面向激光功率参数和熔化极氩弧焊焊接规范需要多次变换的大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程则灵活性不够，不能保证全范围参数更改时激光对等离子体和电弧光的削弱效果。所搭建的光学系统要求扩束管、成像物镜、小孔光阑、干涉滤光片、镜头严格同轴，且光学部件相对摆放距离较远，在安装调整焦距时耗时巨大，造成非专业人员使用困难。另外，小孔光阑在光学系统中主要进行中性滤光，对弧光和激光进行相同程度的衰减避免曝光过度，但小孔光阑的调节范围很小，对于不同强度的背光源和弧光使用非常不便。因此无法应用于大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，使其能够直接拍摄到焊接过程中的清晰熔滴图像，实现在高强度等离子体、强脉冲弧光同时遮蔽的情况下，对熔滴行为的捕捉，并大大缩短了光学调整时间，使得非专业操作人员可以方便的使用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：半导体激光器、扩束管、三维光学调整架、多层紫外增透片、圆偏振片组合、干涉滤光片、金属螺纹接口镜片圆环、摄影镜头、转接头、摄影机；其中半导体激光器、扩束管和三维光学调整架组成光源机构，扩束管嵌套于三维光学调整架的内环中，半导体激光器靠近扩束管的显微目镜位置摆放，调整三维光学调整架达到出射激光与扩束管光学同轴；多层紫外增透片、圆偏振片组合、干涉滤光片、金属螺纹接口镜片圆环和摄影镜头组成成像机构，多层紫外增透片、圆偏振片组合、干涉滤光片分别嵌于金属螺纹接口镜片圆环内，按照多层紫外增透片朝向工件、多层紫外增透片和干涉滤光片处在两侧、圆偏振片组合在中间的次序通过金属螺纹接口镜片圆环的螺纹接口拧在一起，形成滤光部分的封装结构，封装结构与摄影镜头通过各自的螺纹接口相连接；摄影机与转接头组成摄影机构，摄影机与转接头通过各自的C型接口连接；光源机构位于工件一侧并调整至同轴，成像机构和摄影机构通过转接头连接，位于工件另一侧并与工件、成像机构同轴放置。

所述的半导体激光器是波长为650nm、激光光斑直径为2mm、功率由0至80毫瓦线性可调的磷化铝镧镓型半导体激光器。

所述的扩束管是倍数为12.5倍、由朝向激光出射口的显微目镜与朝向拍摄对象的凸透镜封装成的扩束管。

所述的多层紫外增透片，其透光率在99％以上，具有多层镀膜并可滤紫外线。

所述的圆偏振片组合由两张相同的圆偏振片分别嵌于金属螺纹接口镜片圆环内，通过金属螺纹接口连接组成。

所述的干涉滤光片，其中心波长为650nm、带宽为5nm、透过率为75％。

所述的摄影镜头是口径为65mm、焦距为28至85mm的变焦摄影镜头。

所述的转接头是C型摄影接口至F型摄影接口的转接头，以连接数字高速摄影机的摄像头提供的C型接口和口径65mm的摄影镜头提供的F型接口。

所述的摄影机是最高拍摄速度为10000帧/秒的数字高速摄影机。

本发明通过半导体激光器线性调节功率输出，达到激光背光强度的线性变化，可以根据大功率二氧化碳激光器的焊接功率以及熔化极氩弧焊焊接规范大小的不同进行调整。成像机构中通过相对旋转圆偏振片组合中的两张圆偏振片，根据马吕斯定律可以获得入射光强度的明暗变化。因此通过匹配背光光源的强度以及偏正片的相对角度，通过高速摄影机可以获得合适对比度的大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程中熔滴的清晰图像。

本发明采用半导体激光器作为光源，出射激光功率在零至最高功率范围内可线性调节，能够保证背光对大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接在不同工艺条件下的等离子体及弧光的抑制。成像机构中，基于马吕斯定律双圆偏振片的运用，取代了小孔光阑，可定量的衰减进光强度，精确调整背光、等离子体、电弧光的总强度，避免高速摄影机CCD(电荷藕合器件)因为光强太大造成损坏。多层紫外增透片的使用，既避免了圆偏振片组合在拍摄过程中由于飞溅而造成的损坏，同时还保证了初始进光量达到了99％以上。多层紫外增透片、圆偏振片组合、干涉滤光片、摄影镜头和转接头整体封装设计，使得高速摄影机不再局限于C型接口的摄影镜头，可以使用型号规格更为齐全的F型接口常规摄影镜头，同时由于采用螺纹配合的镜片整体封装结构，在使用时不再需要考虑光学同轴问题。采用常规方式进行光路搭建和调整专业操作人员需要耗时至少10个工作日而采用这种方式则只需要最多1个小时，大大缩短了常规高速摄影方式所耗费的时间，也使得非专业操作人员可以方便的使用。

附图说明

图1为本发明结构示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：半导体激光器1、扩束管2、三维光学调整架3、多层紫外增透片6、圆偏振片组合7、干涉滤光片8、金属螺纹接口镜片圆环、摄影镜头9、转接头10和摄影机11。图1中二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合焊炬4、工件位5为实验设施。

启动半导体激光器1，调整功率至10mw，使出射红色激光入射于扩束管2的显微目镜；调节三维光学调整架3，使扩束出射光斑在白色色卡上呈亮度均一的直径为25mm的圆面，则表示半导体激光器1和扩束管2已同轴，光源机构搭建完成。

将多层紫外增透片6、圆偏振片组合7和干涉滤光片8按照多层紫外增透片6朝向工件位5，干涉滤光片8朝向镜头9的次序，通过直径65mm的金属螺纹接口镜片圆环依次安装，形成镜片组合，再将镜片组合通过干涉滤光片8的圆形螺纹接口和镜头9拧在一起，则整个成像机构组合完成；使用转接口10，将成像机构与摄影机11连接在一起。

将光源机构放置于二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合焊炬4一侧，距离约1米，将成像机构和摄影机构放置于另一侧约1米处，并调整为等高如图1所示。打开摄影机11，将拍摄速率选择为30帧/秒。打开半导体激光器1，将功率调至5mw；将圆偏振片组合7相对偏振角度调至30度；微调摄影机构的姿态，使摄影机11监视器上显示出现红色光斑，固定姿态；调节镜头9的焦距和放大倍数，使焊丝、工件5的粗糙阴影像显示于监视器中心位置；将摄影机11的拍摄速率调整为2000帧/秒，将半导体激光发生器1功率调至50mw，调整圆偏振片组合7相对角度至80度，微调镜头9的焦距在监视器上获得焊丝、工件5边缘清晰的阴影像，二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统搭建完成。以上调整数据适用二氧化碳激光功率为8kw，熔化极氩弧焊规范为电流110A，电压25V的焊接工艺。

以上涉及的半导体激光器1是波长为650nm、激光光斑直径为2mm、功率由0至80毫瓦线性可调的磷化铝镧镓型半导体激光器；扩束管2是倍数为12.5，由朝向激光出射口的显微目镜与朝向拍摄对象的凸透镜封装成的扩束管；三维光学调整架3；多层紫外增透片6是日本肯高株式会社制、型号Kenko L37 SuperPro、直径65mm、透光率99.9％；圆偏振片组合7是德国B+W光学镜片公司制，型号Slim CPL、直径65mm、滤光因数3-4；干涉滤光片8是中心波长为650nm、带宽为5nm、透过率为75％的干涉滤光片；镜头9是日本尼康公司制、型号AISF3.5-4.5、直径65mm、焦距28-85mm；转接口10是C型摄影接口至F型摄影接口的转接口；数字高速摄影机11是日本福昌株式会社制、型号FASTCAM 10KC、C型接口、最高拍摄速度10000帧/秒。

本实施例安装调试耗费时间很少，且光轴的调整可以通过监视器直接观测完成，简单高效；镜头选择范围大，可以更换大倍数摄影镜头捕捉熔滴行为更为细致的图像。本实施例有效的克服了大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程总输入功率大、工艺规范多变、成像环境复杂的缺点，实现了清晰熔滴行为的拍摄，对进一步研究大功率二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源的过程机理提供了条件。

Claims (9)

1、一种二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，包括扩束管(2)和干涉滤光片(8)，其特征在于，还包括：半导体激光器(1)、三维光学调整架(3)、多层紫外增透片(6)、圆偏振片组合(7)、金属螺纹接口镜片圆环、摄影镜头(9)、转接头(10)、摄影机(11)，其中半导体激光器(1)、扩束管(2)和三维光学调整架(3)组成光源机构，扩束管(2)嵌套于三维光学调整架(3)的内环中，半导体激光器(1)靠近扩束管(2)的显微目镜位置摆放，调整三维光学调整架(3)达到出射激光与扩束管(2)光学同轴，多层紫外增透片(6)、圆偏振片组合(7)、干涉滤光片(8)、金属螺纹接口镜片圆环和摄影镜头(9)组成成像机构，多层紫外增透片(6)、圆偏振片组合(7)、干涉滤光片(8)分别嵌于金属螺纹接口镜片圆环内，按照多层紫外增透片(6)朝向工件(5)、多层紫外增透片(6)和干涉滤光片(8)处在两侧、圆偏振片组合(7)在中间的次序通过金属螺纹接口镜片圆环的螺纹接口拧在一起，形成滤光部分的封装结构，封装结构与摄影镜头(9)通过各自的螺纹接口相连接，摄影机(11)与转接头(10)组成摄影机构，摄影机(11)与转接头(10)通过各自的C型接口连接，光源机构位于工件(5)一侧并调整至同轴，成像机构和摄影机构通过转接头(10)连接，位于工件(5)另一侧并与工件、成像机构同轴放置。

2、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的扩束管(2)是倍数为12.5、由朝向激光出射口的显微目镜与朝向拍摄对象的凸透镜封装而成的扩束管。

3、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的半导体激光器(1)是波长为650nm、激光光斑直径为2mm、功率由0至80mw线性可调的磷化铝镧镓型半导体激光器。

4、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的多层紫外增透片(6)，其透光率在99％以上，具有多层镀膜并可滤紫外线。

5、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的圆偏振片组合(7)由两张相同的圆偏振片分别嵌于直径65mm的金属螺纹接口镜片圆环内，通过金属螺纹接口连接组成。

6、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的干涉滤光片(8)，其中心波长为650nm、带宽为5nm、透过率为75％。

7、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的摄影镜头(9)是口径为65mm、  焦距为28-85mm的可变焦摄影镜头。

8、根据权利要求1所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的转接头(10)是C型摄影接口至F型摄影接口转接头，以连接摄影机(11)的摄像头提供的C型接口和摄影镜头(9)提供的F型接口。

9、根据权利要求1或者8所述的二氧化碳激光—熔化极氩弧焊复合热源焊接过程摄影系统，其特征是，所述的摄影机(11)是最高拍摄速度为10000帧/秒的数字高速摄影机。

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