本發(fā)明涉及光譜檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用特征譜線焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

電弧焊時(shí)，在電弧的作用下，母材局部和填充金屬均被加熱融化形成熔池，冷卻凝固后形成焊縫。所以為了進(jìn)一步提高焊接效率和焊接質(zhì)量，不僅要對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行探究，還要注重焊接過程。觀測(cè)熔池的流動(dòng)對(duì)我們了解焊縫質(zhì)量、氣孔缺陷及力學(xué)性能必不可少。

在工件成型過程中，熔池不僅受到熱的作用，還受到力的作用。在電弧力和其他力的作用下熔池表面產(chǎn)生凹陷，液體金屬被排向熔池尾部。由于熔池受到各種力的作用，因此熔池的流動(dòng)過程較為復(fù)雜。受到高熱量熱源的影響，熔池發(fā)光強(qiáng)度很高，又由于雜光污染嚴(yán)重，使得觀測(cè)熔池的難度加大。

當(dāng)今，有研究者利用結(jié)構(gòu)光或者激光作為輔助光源，消除電弧光的影響，但是設(shè)備較為昂貴，熔池圖像清晰度不夠；也有學(xué)者將CCD相機(jī)與濾光片結(jié)合，將灰度轉(zhuǎn)換為熔池輪廓線，但是不能顯示熔池的流動(dòng)過程。

目前熔池監(jiān)測(cè)領(lǐng)域依然存在很大不足，現(xiàn)有熔池觀測(cè)技術(shù)不能清晰呈現(xiàn)熔池的流動(dòng)過程，而且受到雜光的嚴(yán)重干擾。本方法可實(shí)時(shí)在正面監(jiān)測(cè)熔池全貌，還可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)焊縫、熔池流動(dòng)過程圖像，為后續(xù)焊接質(zhì)量改進(jìn)及相關(guān)科學(xué)研究提供依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于特征譜線的焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，可以呈現(xiàn)熔池的正面流動(dòng)圖像。本發(fā)明在減少雜光干擾的基礎(chǔ)上，通過觀測(cè)不同坐標(biāo)的示蹤元素發(fā)出的光強(qiáng)變化來繪制熔池的流動(dòng)圖像，比傳統(tǒng)的熔池監(jiān)測(cè)方法更加清晰、有效。

為解決以上問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:

一種基于特征譜線的焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法,包括以下步驟：

步驟S1、將示蹤元素呈帶狀充分附著在工件表面上形成示蹤元素層；

步驟S2、工件和焊槍之間產(chǎn)生的電弧使工件和示蹤元素層受熱形成熔池，在焊接力的影響下，示蹤元素和金屬元素混合在一起向焊槍移動(dòng)的反方向流動(dòng)；

步驟S3、受到熱源影響后，各元素被激發(fā)，發(fā)出不同的特征譜線，選取一個(gè)波段，使在這個(gè)波段內(nèi)，示蹤元素被激發(fā)時(shí)發(fā)出光強(qiáng)度最大，其他元素發(fā)出的光強(qiáng)度較??；

步驟S4、選取窄帶濾光片，使步驟S3中所述波段的光通過，其他波段的光截止；

步驟S5、熔池發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡聚焦放大后進(jìn)入窄帶濾光片，其他波段的光被窄帶濾光片截止，只有特定波段的光可以通過濾光片進(jìn)入到CCD相機(jī)中，在特定波段中，只有示蹤元素發(fā)出的光強(qiáng)度最強(qiáng)，其他光強(qiáng)度較?。?/p>

步驟S6、根據(jù)CCD相機(jī)采集的光強(qiáng)，通過各個(gè)坐標(biāo)上光強(qiáng)的變化，來模擬出熔池流動(dòng)的跡線；

步驟S7、通過熔池流動(dòng)的跡線，模擬出完整的熔池流動(dòng)過程。

作為優(yōu)選，凸透鏡、減光片、窄帶濾光片、CCD相機(jī)為一體，并且在同一軸線上。

作為優(yōu)選，采用惰性氣體保護(hù)熔池和示蹤元素層，減少示蹤元素被氧化的幾率，減少氧化物發(fā)出的雜光帶來的干擾。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有的熔池觀測(cè)技術(shù)相比，可以有以下效果：

(1)本發(fā)明將熔池圖像先用凸透鏡放大后，增加了熔池圖像的分辨率，減少了其余雜光的進(jìn)入。

(2)只有示蹤元素被激發(fā)時(shí)發(fā)出的特定波段的光可以通過窄帶濾光片進(jìn)入到CCD相機(jī)中。窄帶濾光片的應(yīng)用可以進(jìn)一步減少雜光污染，當(dāng)其它波段的光通過濾光片時(shí)被過濾掉。

(3)與傳統(tǒng)的方式相比，通過觀測(cè)示蹤元素發(fā)出的光強(qiáng)度變化來監(jiān)測(cè)熔池流動(dòng)，可以充分地還原熔池的流動(dòng)過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法采用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

示蹤元素層-1 凸透鏡-2 窄帶濾光片-3

CCD相機(jī)-4 滑軌-5

圖2是本發(fā)明示蹤元素層的俯視示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明更加具體、明白地被理解，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述的一種基于特征譜線的焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：凸透鏡2、窄帶濾光片3、CCD相機(jī)4、滑軌5，凸透鏡2、窄帶濾光片3、CCD相機(jī)4通過滑軌5固定在同一設(shè)備內(nèi)，三者在同一軸線上，凸透鏡2通過鏡架安裝在滑軌上，使得凸透鏡2可以在滑軌5上移動(dòng)；濾光片3固定在CCD相機(jī)4上：CCD相機(jī)4固定在滑軌5上。

一種基于特征譜線的焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，包括：

步驟S1、根據(jù)焊接保護(hù)氣、離子氣和焊接金屬選取相應(yīng)的示蹤元素的成分。示蹤元素不會(huì)與金屬元素發(fā)生反應(yīng)，且示蹤元素在特定波段上發(fā)出的光的強(qiáng)度最大，其他元素發(fā)出的光在特定波段上光強(qiáng)較小。

步驟S2、將示蹤元素充分呈帶狀附著在工件表面上形成金屬示蹤元素層1，帶間距0.001mm到2mm，如圖2所示，示蹤元素層為粉末、顆粒及涂覆狀，其厚度為0.001mm到1mm。

步驟S3、根據(jù)示蹤元素的特征譜線選取相對(duì)應(yīng)的窄帶濾光片3，濾光片中心波長(zhǎng)為示蹤元素的發(fā)射光譜中的選取的特定波長(zhǎng)，半高寬為1-10nm，使只有特定波段的光可以通過。

步驟S4、調(diào)整好凸透鏡2、窄帶濾光片3、CCD相機(jī)4的角度，使其光路對(duì)準(zhǔn)被觀測(cè)區(qū)域，并且其位置不妨礙焊接設(shè)備的正常工作。

步驟S5、調(diào)整凸透鏡2和被觀測(cè)區(qū)域的距離，根據(jù)凸透鏡焦距，通過滑軌調(diào)整凸透鏡和熔池的距離，使被觀測(cè)區(qū)域圖像可以清晰，完整地呈現(xiàn)在CCD相機(jī)中。

步驟S6、將焊接電源正極接工件，負(fù)極接焊槍，工件和焊槍之間產(chǎn)生的電弧使工件和示蹤元素層受熱形成熔池。示蹤元素和金屬元素受熱后混合在一起形成熔池，向焊槍移動(dòng)反方向流動(dòng)。熔池中的示蹤元素和金屬元素受熱源影響后被激發(fā)，發(fā)出包含選取的特定波長(zhǎng)的光譜譜線。

步驟S7、在CCD相機(jī)4的光路中加上窄帶濾光片3，被觀測(cè)區(qū)域所發(fā)出的光被凸透鏡2聚焦后通過窄帶濾光片3，其中只有特定波段的光可以通過窄帶濾光片3進(jìn)入到CCD相機(jī)4中。在特定波段中，只有示蹤元素發(fā)出的光強(qiáng)度最大，在CCD相機(jī)中呈現(xiàn)得最為明顯。

步驟S8、示蹤元素發(fā)出的光進(jìn)入CCD相機(jī)中，通過采集到的被觀測(cè)區(qū)域不同坐標(biāo)處的光強(qiáng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)形成特征元素在焊接熔池中運(yùn)動(dòng)的跡線，經(jīng)過專業(yè)軟件處理后模擬出熔池的流動(dòng)過程。

進(jìn)一步，在示蹤元素的發(fā)射光譜中所選取的特定波長(zhǎng)，使示蹤元素所發(fā)出的該波長(zhǎng)的光強(qiáng)遠(yuǎn)大于工件金屬元素和周圍氣體元素所發(fā)出的該波長(zhǎng)的光強(qiáng)。

進(jìn)一步，窄帶濾光片3只讓所選取的特定波段的光通過。

進(jìn)一步，所述凸透鏡2、濾光片3、CCD相機(jī)4置于同一裝置內(nèi)，并且可調(diào)節(jié)被觀測(cè)區(qū)域的位置和角度。

進(jìn)一步，CCD相機(jī)采集到的被觀測(cè)區(qū)域圖像只包含所選取的特定波段的光，可從光強(qiáng)分布隨時(shí)間的變化中得出熔池的流動(dòng)狀態(tài)。

作為優(yōu)選，采用惰性氣體保護(hù)熔池和示蹤元素層，減少示蹤元素被氧化的幾率，減少氧化物發(fā)出的雜光帶來的干擾。

本發(fā)明的基于特征譜線的焊接熔池流動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，可以正面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池流動(dòng)，在特定波段上，只有熔池中的示蹤元素被激發(fā)時(shí)所放出的光強(qiáng)度最強(qiáng)，其他光強(qiáng)度較低，通過采集到的被觀測(cè)區(qū)域光強(qiáng)變化趨勢(shì)模擬出熔池的流動(dòng)。本發(fā)明包含：凸透鏡、窄帶濾光片、CCD相機(jī)和專用處理軟件。其中凸透鏡、窄帶濾光片、CCD相機(jī)為一整體，工作時(shí)跟隨被觀測(cè)區(qū)域平移，且軸線始終對(duì)準(zhǔn)被觀測(cè)區(qū)域。其中凸透鏡和窄帶濾光片根據(jù)實(shí)際需求使用，可以根據(jù)不同的焊接原材料或焊接方式更換不同的凸透鏡和窄帶濾光片。凸透鏡位置可調(diào)，將熔池圖像放大，盡可能避免雜光進(jìn)入，使熔池圖像清晰，均勻地呈現(xiàn)，盡可能真實(shí)地呈現(xiàn)熔池流動(dòng)過程。附在工件表面的示蹤元素在熱源經(jīng)過時(shí)被激發(fā)，其特征譜與其他光源不同。熔池發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡聚焦放大后，只有示蹤元素發(fā)出特定波段的光可以明顯映射在CCD相機(jī)的感光元器件中。最后將CCD相機(jī)拍到的連續(xù)圖像經(jīng)過軟件處理，得到熔池的流動(dòng)影像。