自动TIG堆焊熔敷铜熔池图像视觉检测试验学习体会

文献概况

本文发表于《焊接学报》2004年第25卷第4期，由南京理工大学王克鸿等作者完成，研究课题得到江苏省高新技术项目资助。文章针对自动TIG堆焊铜熔池的视觉检测难题，提出了近红外波段取像的技术思路，设计了两种复合窄带滤光系统，并系统比较了不同滤光波段下的熔池图像质量。

熔池视觉检测的工程背景

在管道工程中，铜及铜合金堆焊层广泛应用于：

• 化工管道中耐碱、耐酸介质腐蚀的内衬层；
• 电力管道中导电连接部位的过渡层堆焊；
• 船舶管道系统中耐海水腐蚀的防护层；
• 食品级管道中符合卫生标准的内壁处理。

铜熔池的视觉检测之所以困难，核心原因在于铜的强反射特性。铜在可见光波段的反射率极高，导致熔池表面呈现强烈的镜面反射，普通CCD传感器难以获取清晰的熔池轮廓和温度分布信息。此外，TIG电弧本身产生的强光辐射也严重干扰了熔池图像的采集。

复合窄带滤光系统设计

文献设计的两种复合窄带滤光系统体现了光学工程与焊接传感技术的深度融合。

从光学原理分析，近红外波段（980-1064 nm）的取像优势在于：一是铜在近红外波段的反射率相对较低，熔池表面的镜面反射效应减弱；二是TIG电弧在近红外波段的辐射强度较可见光波段弱，电弧对熔池图像的干扰减小；三是熔池温度梯度在近红外波段的热辐射特征更为明显，有利于提取熔池温度分布信息。

脉冲TIG弧的基值期间取像优势

文献特别指出，在脉冲TIG弧的基值期间利用四种滤光波段都可获得清晰的熔池图像。这一发现具有重要的工程应用价值。

脉冲TIG焊的基值期间，电弧电流降至基值水平，电弧辐射强度大幅降低，熔池表面处于相对稳定的凝固-再熔化过渡状态。此时：

• 熔池表面张力主导流动行为，液面较为平整，有利于图像采集；
• 电弧辐射干扰降至最低，滤光系统的信噪比要求降低；
• 熔池边缘的温度梯度最为明显，熔池轮廓的提取精度最高。

从焊接工艺控制角度，基值期间的熔池图像可用于实时监测熔深变化，为堆焊层的成形质量提供反馈信息。

熔池特征与熔深控制

文献对重熔自动TIG堆焊铜熔池的特征和熔深的控制进行了分析和试验研究。熔深控制是堆焊工艺中的核心问题，直接关系到堆焊层的稀释率和结合强度。

在铜熔池的视觉检测中，熔深的间接表征参数包括：

• 熔池宽度与深度的比值（宽深比）；
• 熔池表面温度梯度分布；
• 熔池前沿的推进速度；
• 熔池边缘的润湿角特征。

通过图像处理技术提取上述参数，可以建立熔池视觉特征与熔深之间的关联模型，实现熔深的在线监测与闭环控制。这对于管道内壁堆焊等无法直接观察熔池深部的应用场景尤为重要。

与工程实践的结合

在管道铜合金堆焊的工程实践中，熔池视觉检测技术可应用于以下质量控制环节：

1. 在线监测与报警：实时监测熔池状态，当熔池异常（如熔池过宽、温度分布不均）时自动报警，防止堆焊层出现未熔合、气孔等缺陷。
2. 工艺参数自适应调节：根据熔池图像反馈，自动调节焊接电流、速度和送丝速度，补偿因基体厚度变化、表面状态差异等引起的工艺波动。
3. 堆焊层成形质量评估：通过熔池宽度、表面波纹等视觉特征，评估堆焊层的成形质量，为后续检验提供预判依据。
4. 远程监控与数据记录：在自动化堆焊产线中，熔池图像数据可作为焊接质量追溯的重要记录。

关键疑问与思考

文献中提到的"近红外波段易于获得较清晰的熔池图像"这一结论，是否适用于所有铜合金体系？铜合金的成分差异（如黄铜、青铜、白铜等）会导致其光学反射特性不同，近红外波段的适用性可能需要针对具体合金体系进行验证。

另一个值得深入探讨的问题是：滤光系统的带宽对图像质量的影响。文献中提到的"复合窄带滤光"具体带宽是多少？带宽越窄，信噪比越高，但通光量也越小，对CCD传感器的灵敏度和积分时间提出了更高要求。在实际工程应用中，需要在图像质量和实时性之间寻找平衡点。

学习心得与启示

本文的研究体现了焊接传感技术中"光学窗口选择"这一核心方法论。对于从事焊接自动化技术的工程技术人员而言，最大的启示在于：面对强反射、强辐射的焊接场景，选择合适的波长窗口往往比提高传感器性能更为关键和高效。

从技术发展趋势看，熔池视觉检测技术正朝着多光谱融合、数据分析图像识别、以及光纤传感器集成等方向演进。在管道堆焊领域，随着在线检测与质量追溯要求的不断提高，熔池视觉检测技术有望成为智能堆焊系统的核心感知手段。