动态测量焊接熔滴表面张力的方法、装置及数据处理终端

技术领域

本发明属于焊接检测技术领域，尤其涉及一种动态测量焊接熔滴表面张力的方法、装置及数据处理终端。

背景技术

长期以来，焊接过程中的液相控制是一个非常重要的科学问题。填丝焊接(熔化极气体保护焊、钨极氩弧填丝焊、激光填丝焊等)过程中，液态熔滴的表面张力对焊接过程中熔滴过渡方式、熔池稳定性、电弧-熔滴-熔池三相耦合交互等液态传输机制，以及微观层面上焊缝组织的生长、相组成以及凝固模式等都具有非常重要的影响，测定不同焊接条件下液态熔滴的表面张力，对焊接过程中质量的控制、焊丝成分的优化，以及电弧-熔池-熔滴三者耦合交互作用的理论研究等方面具有特别重要的指导意义。

目前针对高温液态金属表面张力的测量方法主要是静态法，即根据液体某一状态下的某些特征数值来计算得到表面张力，如最大泡压法、毛细上升法、拉筒法和静滴法等，但这些方法大多只能针对平衡条件下液态金属表面张力的测量。在实际焊接过程中，熔滴的液态金属表面张力取决于不同焊接热源模式、焊丝及保护气体成分等多个因素，且熔滴过渡频率快、熔滴体积小，测量过程受到光、电、磁、热的强烈干扰，传统的液态金属表面张力测量方法无法适用于焊接条件下熔滴液态金属表面张力的实时测量。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的方法论无法适用于熔滴表面张力的测量。

解决以上问题及缺陷的难度为：实际焊接条件下，熔滴过渡频率快、熔滴体积小，且受到焊接光、电、磁、热的严重干扰，传统的表面张力测量方法无法实现熔滴液态金属表面张力的测量。另外，熔滴液态金属的表面张力取决于不同焊接热源模式、焊丝及保护气体成分等多个因素，而通过传统技术手段获取的平衡条件下表面张力理论数据与实际焊接熔滴液态金属表面张力偏差很大。

解决以上问题及缺陷的意义为：测定不同焊接条件下液态熔滴的表面张力，对焊接过程中质量的控制、焊丝成分的优化，以及阐明电弧-熔池-熔滴三者耦合交互作用机制等理论研究具有特别重要的指导意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种动态测量焊接熔滴表面张力的方法、装置及数据处理终端。

本发明是这样实现的，一种动态测量焊接熔滴表面张力的装置，所述动态测量焊接熔滴表面张力的装置包括：

熔滴振荡频率及熔滴半径提取模块，用于提取熔滴振荡频率及平均熔滴半径；

熔滴温度提取模块，用于利用红外测温仪、数据采集卡和外部触发器采集温度场图像，并计算熔滴表面的平均温度；

表面张力计算模块，用于基于LabVIEW对采集到的熔滴振荡频率、平均熔滴半径及熔滴表面平均温度信息进行计算，得到熔滴液态金属的表面张力。

进一步，所述熔滴振荡频率及熔滴半径提取模块包括：

激光器、激光器固定架、成像屏、滤光片、高速摄像机及视频采集卡；

所述激光器与焊枪的轴线位于同一平面，与焊丝轴线呈90°夹角，且所述激光器正对电弧空间区域，用于向电弧空间区域发射网格状激光条纹图像；

所述成像屏、滤光片、高速摄像机放置于激光器的另一侧，用于提取受熔滴阻挡的产生阴影区域的网格状激光条纹图像；

所述滤光片的波段与激光器发射波段相同。

本发明的另一目的在于提供一种应用于所述动态测量焊接熔滴表面张力的装置的焊接熔滴表面张力动态测量方法，所述焊接熔滴表面张力动态测量方法包括：

步骤一，采用激光器发射网格状激光条纹，在焊枪另一侧采用成像屏接收网格状激光条纹；

步骤二，利用高速摄像机抓拍焊接热源停止工作瞬间一个熔滴对激光条纹遮挡产生的阴影区域图像；同时利用红外测温仪、数据采集卡和外部触发器在焊接热源停止工作瞬间的同一时刻采集同一熔滴的温度场图像；

步骤三，根据得到的阴影区域图像拟合熔滴轮廓曲线，从中提取并计算熔滴振荡频率及熔滴半径；并根据温度场图像计算熔滴表面的平均温度；

步骤四，根据建立的计算模型基于得到的熔滴振荡频率、平均熔滴半径、熔滴表面平均温度信息进行计算，实时获取熔滴表面张力数据。

进一步，所述采用激光器发射网格状激光条纹之前还需进行：

将激光器固定于激光器固定架上并调好位置、距离，将成像屏、滤光片、高速摄像机固定于另一侧固定架上，利用激光器发射网格状激光条纹。

进一步，步骤三中，所述阴影区域图像包括：

获取焊接热源停止工作瞬间一个熔滴对激光条纹遮挡产生的阴影区域图像，并提取由于过渡熔滴遮挡产生的激光网格中阴影区域变化的时域信号，拟合得到熔滴轮廓曲线，获取熔滴熔滴轮廓曲线上水平和垂直方向最大长度的变化情况，采用快速傅里叶变换提取熔滴振荡频率，同时计算等效熔滴半径，并求其平均值，得到熔滴振荡频率和等效熔滴半径值。

进一步，步骤三中，所述拟合得到熔滴轮廓曲线包括：

(1)以熔滴图像左下角顶点为原点，图像下边沿为X轴，图像左边沿为Y轴，建立以像素点长、宽作为单位长度的直角坐标系XOY；

(2)进行图像处理，并提取出激光条纹断点坐标；并将所获得断点的直角坐标系坐标转化为以圆心为极点的极坐标系下的坐标值；

(3)在极坐标下利用最小二乘法进行曲线拟合，得到熔滴轮廓的极坐标曲线方程：

曲线方程为r＝a

则A＝(Θ

进一步，所述进行图像处理，并提取出激光条纹断点坐标包括：

对图像进行二值化处理，然后采用骨架算法将激光条纹的骨架轮廓提取出来。利用圆形拟合功能，将搜索间隔缩小，找出每条线断点处的点，并输出所有搜索到的断点的坐标值。

进一步，所述将所获得断点的直角坐标系坐标转化为以圆心为极点的极坐标系下的坐标值包括：

将所有坐标值进行集合，在X轴方向上求其最大值与最小值的平均值，同时在Y轴方向上也求出其最大值与最小值的平均值，分别作为近似圆的圆心，即极点的坐标(x

其中，若y-y

进一步，所述获取熔滴水平和垂直方向上最大长度的变化情况，采用快速傅里叶变换提取出熔滴振荡频率，同时计算等效熔滴半径包括：

在成像屏上画一个半径为1mm的单位圆，用固定好的正对着成像屏的高速摄像机拍摄成像屏图片，得到单位圆的图像；在单位圆上找到圆心o点(X

若激光器发射光束的入射扇角为θ，激光器与焊丝距离为l

若提取到激光条纹被熔滴遮挡区域在水平和垂直方向上的最大像素点个数分别为n

将截面为椭圆形的熔滴按等效面积的原则等效为圆形熔滴：

其中，D表示等效熔滴直径，D＝2R；

提取一个熔滴生成周期内每幅图片上的R值并求其平均值

所述步骤四实时获取熔滴表面张力数据具体包括：

熔滴的表面张力γ与熔滴振荡频率f、熔滴液态金属密度ρ及平均熔滴半径

其中，ρ＝ρ

本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述焊接熔滴表面张力动态测量方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明能够实现不同焊接条件下熔滴液态金属表面张力的测量，对深入研究焊接过程中电弧-熔池-熔滴三者交互作用机理、焊接质量的过程控制以及焊丝成分的优化具有非常重要的指导意义，且该方法具有采样率高、信噪比高、设备简单等优点，有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的动态测量焊接熔滴表面张力的装置原理图。

图2是本发明实施例提供的动态测量焊接熔滴表面张力的装置结构示意图。

图3是本发明实施例提供的焊接熔滴表面张力动态测量方法原理图。

图4是本发明实施例提供的焊接熔滴表面张力动态测量方法示意图。

图5是本发明实施例提供的焊接熔滴表面张力动态测量方法流程图。

图6是本发明实施例提供的网格状激光条纹透过熔滴后的投影图。

图7是本发明实施例提供的二值化图像。

图8是本发明实施例提供的细化处理图像。

图9是本发明实施例提供的断点搜索图像。

图10是本发明实施例提供的像素与实际尺寸标定示意图。

图11是本发明实施例提供的实际熔滴与成像屏阴影半径比例关系示意图。

图12是本发明实施例提供的熔滴表面温度场图像。

图13是本发明实施例提供的模式2和模式3的参数随时间的变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种动态测量焊接熔滴表面张力的方法和装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1至图2所示，本发明实施例提供的动态测量焊接熔滴表面张力的装置包括：

熔滴振荡频率及熔滴半径提取模块，用于提取熔滴振荡频率及平均熔滴半径；

熔滴温度提取模块，用于利用红外测温仪、数据采集卡和外部触发器采集温度场图像，并计算熔滴表面的平均温度；

表面张力计算模块，用于基于LabVIEW对采集到的熔滴振荡频率、平均熔滴半径及熔滴表面平均温度信息进行计算，得到熔滴液态金属的表面张力。

本发明实施例提供的熔滴振荡频率及熔滴半径提取模块包括：

激光器、激光器固定架、成像屏、滤光片、高速摄像机及视频采集卡；

激光器与焊枪的轴线位于同一平面，与焊丝轴线呈90°夹角，且激光器正对电弧空间区域，用于向电弧空间区域发射网格状激光条纹图像；

成像屏、滤光片、高速摄像机放置于激光器的另一侧，用于提取受熔滴阻挡的产生阴影区域的网格状激光条纹图像；

滤光片的波段与激光器发射波段相同。

如图3至图5所示，本发明实施例提供的焊接熔滴表面张力动态测量方法包括：

S101，将激光器固定于激光器固定架上并调好位置、距离，将成像屏、滤光片、高速摄像机固定于另一侧固定架上，利用激光器发射网格状激光条纹；采用激光器发射网格状激光条纹，在焊枪另一侧采用成像屏接收网格状激光条纹；

S102，利用高速摄像机抓拍焊接热源停止工作瞬间一个熔滴对激光条纹遮挡产生的阴影区域图像；同时利用红外测温仪、数据采集卡和外部触发器在焊接热源停止工作瞬间的同一时刻采集同一熔滴的温度场图像；

S103，根据得到的阴影区域图像拟合熔滴轮廓曲线，从中提取并计算熔滴振荡频率及熔滴半径；并根据温度场图像计算熔滴表面的平均温度；

S104，根据建立的计算模型基于得到的熔滴振荡频率、平均熔滴半径、熔滴表面平均温度信息进行计算，实时获取熔滴表面张力数据。

本发明实施例提供的阴影区域图像包括：

获取焊接热源停止工作瞬间一个熔滴对激光条纹遮挡产生的阴影区域图像，并提取由于过渡熔滴遮挡产生的激光网格中阴影区域变化的时域信号，拟合得到熔滴轮廓曲线，获取熔滴熔滴轮廓曲线上水平和垂直方向最大长度的变化情况，采用快速傅里叶变换提取熔滴振荡频率，同时计算等效熔滴半径，并求其平均值，得到熔滴振荡频率和等效熔滴半径值；

本发明实施例提供的拟合得到熔滴轮廓曲线包括：

(1)以熔滴图像左下角顶点为原点，图像下边沿为X轴，图像左边沿为Y轴，建立以像素点长、宽作为单位长度的直角坐标系XOY；

(2)进行图像处理，并提取出激光条纹断点坐标；并将所获得断点的直角坐标系坐标转化为以圆心为极点的极坐标系下的坐标值；

(3)在极坐标下利用最小二乘法进行曲线拟合，得到熔滴轮廓的极坐标曲线方程：

曲线方程为r＝a

则A＝(Θ

本发明实施例提供的进行图像处理，并提取出激光条纹断点坐标包括：

对图像进行二值化处理，然后采用骨架算法将激光条纹的骨架轮廓提取出来。利用圆形拟合功能，将搜索间隔缩小，找出每条线断点处的点，并输出所有搜索到的断点的坐标值。

本发明实施例提供的将所获得断点的直角坐标系坐标转化为以圆心为极点的极坐标系下的坐标值包括：

将所有坐标值进行集合，在X轴方向上求其最大值与最小值的平均值，同时在Y轴方向上也求出其最大值与最小值的平均值，分别作为近似圆的圆心，即极点的坐标(x

其中，若y-y

本发明实施例提供的获取熔滴水平和垂直方向上最大长度的变化情况，采用快速傅里叶变换提取出熔滴振荡频率，同时计算等效熔滴半径包括：

在成像屏上画一个半径为1mm的单位圆，用固定好的正对着成像屏的高速摄像机拍摄成像屏图片，得到单位圆的图像；在单位圆上找到圆心o点(X

若激光器发射光束的入射扇角为θ，激光器与焊丝距离为l

若提取到激光条纹被熔滴遮挡区域在水平和垂直方向上的最大像素点个数分别为n

将截面为椭圆形的熔滴按等效面积的原则等效为圆形熔滴：

其中，D表示等效熔滴直径，D＝2R；

提取一个熔滴生成周期内每幅图片上的R值并求其平均值

所述步骤S104实时获取熔滴表面张力数据具体包括：

熔滴的表面张力γ与熔滴振荡频率f、熔滴液态金属密度ρ及平均熔滴半径

其中，ρ＝ρ

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：

本发明动态测量焊接熔滴表面张力的装置，其特征在于，包括熔滴振荡频率及熔滴半径提取模块、熔滴温度提取模块、表面张力计算模块。所述熔滴振荡频率及熔滴半径提取模块包括激光器、激光器固定架、成像屏、滤光片、高速摄像机及视频采集卡，该模块通过高速摄像机及视频采集卡在焊接热源停止工作瞬间获取由于过渡熔滴遮挡产生的激光网格中阴影区域变化的时域信号，利用LabVIEW软件拟合出熔滴轮廓曲线，获取熔滴熔滴轮廓曲线上水平和垂直方向最大长度的变化情况，采用快速傅里叶变换提取出熔滴振荡频率，同时计算出等效熔滴半径，并求其平均值，最后将得到的熔滴振荡频率和等效熔滴半径值输出到数据采集卡上；所述熔滴温度提取模块包括红外测温仪、数据采集卡和外部触发器，该模块通过红外测温仪在焊接热源停止工作瞬间的同一时刻采集同一熔滴表面的温度分布，利用数据采集卡获得温度分布信息，在LabVIEW软件中提取出熔滴表面平均温度；为保证振荡频率信号与温度场信号采集的同步性，采用外部触发器对视频采集卡和数据采集卡进行触发；所述表面张力计算模块是在LabVIEW软件中对采集到的熔滴振荡频率、平均熔滴半径以及熔滴表面平均温度进行计算，得到该熔滴液态金属的表面张力。

其中，采集焊接热源停止工作瞬间过渡的熔滴信息是由于在正常焊接过程中加载的焊接热源会对熔滴温度场测量会产生较大的干扰，因此需采集焊接热源停止工作后的2～3ms内，熔滴脱离焊丝端部，进入自由飞行阶段时，熔滴表面的温度场图像。该过程熔滴产生周期性振荡，可以采集熔滴振荡频率。

其中，所述激光器与所述焊枪的轴线位于同一平面，与焊丝轴线呈90°夹角，且激光器正对电弧空间区域，向该区域发射网格状激光条纹图像。

其中，所述成像屏、滤光片、高速摄像机放置于激光器的另一侧，用于提取受熔滴阻挡的产生阴影区域的网格状激光条纹图像。所述滤光片的波段与激光器发射波段相同，为确保拍摄清晰度，建议选用电弧光较弱的660±10nm波段。

其中，所述视频采集卡可使用美国国家仪器(NI)有限公司的PCIe-1437帧接收器设备，该设备可以实现板载可编程感兴趣区域、像素抽取、图像缩放以及查找表、集线器可连至端口，满足本试验功能需求。

其中，所述熔滴在自由飞行过程中为不规则圆形，其轮廓可以通过对图像进行处理，并进行曲线方程拟合而得出。具体过程为：以图像右下角顶点为原点，图像下边沿为X轴(右方向为正方向)，图像左边沿为Y轴(上方向为正方向)，建立直角坐标系XOY，该坐标系分别以像素点长、宽作为单位长度。

首先进行图像处理，并提取出激光条纹断点坐标：对图像进行二值化处理，处理结果如图7所示，同时将拍摄到的激光条纹利用细化算法进行处理，处理结果如图8所示。利用圆形拟合功能，搜索出每条激光线的断点并输出其坐标值，处理结果如图9所示。

然后将所获得断点的直角坐标系坐标转化为以圆心为极点的极坐标系下的坐标值：将所有坐标值集合起来，在X轴方向上求其最大值与最小值的平均值，同时在Y轴方向上也求出其最大值与最小值的平均值，分别作为近似圆的圆心，即极点的坐标(x

其中，若y-y

最后在极坐标下利用最小二乘法进行曲线拟合，得到熔滴轮廓的极坐标曲线方程：设曲线方程为r＝a

令

则A＝(Θ

通过LabVIEW软件可提取出熔滴垂直和水平方向上最大尺寸。具体方法为：如图10所示，在成像屏上画一个半径为1mm的单位圆。用固定好的正对着成像屏的高速摄像机拍摄成像屏图片，得到单位圆的图像。在该图像上，沿用上述直角坐标系XOY。在单位圆上找到圆心o点(X

另外，如图11所示，若激光器发射光束的入射扇角为θ，激光器与焊丝距离为l

若提取到激光条纹被熔滴遮挡区域在水平和垂直方向上的最大像素点个数分别为n

为简化半径计算，将截面为“椭圆形”的熔滴按等效面积的原则等效为“圆形”熔滴。

其中，D为等效熔滴直径，D＝2R。提取一个熔滴生成周期内每幅图片上的R值并求其平均值

其中，通过分别提取L

其中，所述红外测温仪可采用短波高温红外热成像仪，温度量程为900℃～2500℃，测量频率为500Hz，误差为1％，可满足熔滴温度场测量。

图12是本发明实施例提供的熔滴表面温度场图像。

其中，所述数据采集卡可采用NI公司的PCI-6221数据采集卡，其最大采样率可达250KS/s，同时配置了16位模数转换器，采集精度高、实时性好。

其中，装置的测量精度以测得熔滴振荡频率f＝(350±3.5)Hz，平均熔滴半径

所得最大绝对误差为

所得最大相对误差为

即该试验系统测得结果相对误差约为6.56％，单从误差方面来说，与现有静态法测得值的误差相近。

本发明还提出一种动态测量焊接熔滴表面张力的方法，包括以下步骤：第一步：将所述激光器固定于所述激光器固定架上并调好位置、距离，将所述成像屏、滤光片、高速摄像机固定于另一侧固定架上，使用所述激光器发射网格状激光条纹，投射于成像屏上，使用高速摄像机拍摄焊接热源停止工作瞬间网格状激光条纹及阴影区域的变化情况，输出到视频采集卡上；同时采用所述红外测温仪拍摄焊接热源停止工作瞬间同一熔滴表面温度场图像，输出到数据采集卡上。第二步：将视频采集卡上的视频图像，利用LabVIEW软件提取出熔滴振荡频率及平均熔滴半径数据，输出到数据采集卡上，同时将数据采集卡上的熔滴表面温度场图像利用LabVIEW软件计算熔滴表面平均温度。第三步：将所获得的熔滴振荡频率、平均熔滴半径和熔滴表面平均温度，代入所述模型进行计算，可以得到熔滴液态金属的表面张力。

其中，所述第一步中，为保证信号采集的同步性，视屏采集卡和数据采集卡使用同一外部设备触发。

本发明以304不锈钢焊丝为例，检测到的熔滴振荡频率时域信号如下图所示，对其进行快速傅里叶变换，转换为频域信号后，模式2的频率值为f

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。