自动TIG堆焊熔敷铜熔池图像视觉检测的学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《焊接学报》2004年第25卷第4期，由南京理工大学材料科学与工程系团队完成，获江苏省高新技术项目资助。研究提出了近红外波段取像的思路，设计了两种基于不同取像机理的复合窄带滤光系统，在脉冲TIG焊电弧加热条件下，采用普通CCD传感器对重熔自动TIG堆焊铜熔池进行了传感采集与图像分析。该研究是焊接过程视觉传感技术在铜合金堆焊领域的重要探索，对实现堆焊过程的在线监控和熔深控制具有重要意义。

视觉传感技术原理与系统设计

取像机理分析

TIG弧焊过程中，电弧产生的强辐射（包括可见光、紫外光和红外辐射）是熔池图像采集的主要干扰源。传统可见光取像容易被电弧强光淹没，导致熔池特征无法辨识。本文提出近红外波段取像的思路，其物理基础在于：

• 铜熔池在高温状态下发射较强的近红外辐射，与电弧辐射的频谱存在差异。
• 近红外波段（约700~1400 nm）的辐射强度相对较低，信噪比优于可见光波段。
• 铜及其氧化物在近红外波段具有特定的吸收和反射特征，有利于特征提取。

复合窄带滤光系统

研究设计了两种复合窄带滤光系统，分别针对不同的取像机理：

脉冲TIG焊的基值期间优势

一个重要的发现是：在脉冲TIG焊的基值期间（即低电流期间），电弧辐射显著减弱，此时利用四种滤光波段都可以获得清晰的熔池图像。这一发现具有重要的工程实用价值——脉冲TIG焊本身就是一种成熟的焊接工艺，通过合理设计脉冲参数（如峰值电流、基值电流、脉冲频率等），可以在基值期间进行熔池图像的采集和处理，实现焊接过程的在线监控。

熔池特征提取与熔深控制

熔池特征参数

从采集到的熔池图像中，可以提取以下关键特征参数：

• 熔池宽度：反映熔池的横向尺寸，与焊接电流和速度相关。
• 熔池长度：反映熔池的纵向尺寸，与焊接速度和热输入相关。
• 熔池面积：综合反映熔池的整体尺寸，是热输入的直观指标。
• 熔池形状因子：反映熔池的长宽比，与焊接参数和材料特性相关。

这些特征参数可以通过图像处理算法实时提取，并作为焊接过程控制的反馈信号。

熔深控制策略

熔深是堆焊质量的关键指标之一。熔深过大将导致稀释率升高，降低堆焊层的性能；熔深过小则可能导致未熔合缺陷，影响堆焊层与基体的结合强度。通过熔池图像特征参数的实时监测，可以建立熔池特征与熔深之间的映射关系，从而实现熔深的在线控制。

具体控制策略包括：

• 当熔池面积偏大时，说明热输入过大，应减小焊接电流或提高焊接速度。
• 当熔池面积偏小时，说明热输入不足，应增大焊接电流或降低焊接速度。
• 当熔池形状因子异常时，说明焊接参数不匹配或材料特性发生变化，需要调整工艺参数。

工程应用价值与局限

在铜合金堆焊中的应用前景

铜及铜合金因其优异的导电性、导热性和耐蚀性，广泛应用于电力、化工、海洋工程等领域。铜合金堆焊常用于修复铜合金部件或在其表面堆焊铜合金层以提高导电性或耐蚀性。自动TIG堆焊是铜合金堆焊的主要工艺之一，但铜的高导热性导致熔池形状变化快、熔深控制难度大。视觉传感技术可以为铜合金堆焊过程提供实时的熔池信息，有助于实现熔深的精确控制。

技术局限性

尽管视觉传感技术在焊接过程监控中展现了良好的应用前景，但在实际工程中仍面临以下局限：

• 环境适应性：焊接现场通常存在强光、烟尘、振动等不利因素，对传感系统的抗干扰能力提出了较高要求。
• 实时性要求：焊接过程的动态变化要求传感系统具有高速图像处理能力，普通CCD传感器可能难以满足实时性要求。
• 成本因素：视觉传感系统增加了设备成本，对于批量生产中的经济可行性需要评估。
• 算法鲁棒性：图像处理算法需要针对不同材料、不同工艺条件进行标定和优化，通用性有限。

学习心得与思考

本文的研究体现了焊接过程传感技术在2000年代初期的发展水平——以CCD传感器为基础，通过滤光系统优化实现熔池图像的清晰采集。从技术演进的角度来看，当前焊接视觉传感技术已经有了长足的进步：高分辨率工业相机、高速图像采集卡、数据分析算法等新技术的应用，使得焊接过程的在线监控更加精准和可靠。

然而，本文提出的核心思想——利用脉冲TIG焊的基值期间进行熔池图像采集——仍然具有重要的工程价值。这一思路巧妙地利用了脉冲TIG焊的物理特性，在不增加额外光源或改变焊接工艺的前提下，实现了熔池图像的清晰采集。在实际工程中，我们应当善于发现和利用工艺本身的物理特性，以最低的成本实现最优的效果。

对于钢管和管件行业的焊接质量控制而言，视觉传感技术可以应用于焊缝成形检测、堆焊层厚度监控、熔深在线控制等关键环节。随着技术的不断进步和成本的持续下降，视觉传感技术将在焊接过程控制中发挥越来越重要的作用。作为技术人员，我们应当积极学习和应用这些新技术，不断提升焊接过程控制的智能化水平。