无辅助光源图像法TIG焊焊缝跟踪传感系统的技术解析

文献概况

本文发表于2000年《焊接学报》第21卷第1期，作者来自哈尔滨工业大学现代焊接技术国家重点实验室。研究在TIG焊电弧发光行为研究基础上，建立了一套利用电弧弧光检测焊缝位置的无辅助光源图像传感系统。该系统解决了图像采集与焊接电流同步、图像品质提高、阈值匹配及焊缝位置提取等关键技术问题，在检测精度、处理速度、稳定性和工况适应性方面均满足高质量焊缝自动对中的要求。

核心技术原理

无辅助光源图像法焊缝跟踪的核心思想是利用TIG焊电弧自身发出的光辐射作为光源，通过图像传感器采集电弧与焊缝区域的图像，经图像处理算法提取焊缝中心线位置信息，从而指导焊炬自动跟踪焊缝。这一方法的最大优势在于无需额外增加光源设备，降低了系统复杂度和成本，同时避免了辅助光源与电弧光之间的相互干扰。

TIG焊电弧的发光特性具有显著的空间不均匀性。电弧根部（靠近钨极端）亮度最高，向工件方向逐渐衰减。焊缝边缘由于熔池金属的反射和电弧边缘的散射作用，在图像中形成明显的亮暗对比。系统正是利用这一特征，通过图像边缘检测和形态学处理提取焊缝轮廓。

关键硬件技术

图像采集与焊接电流的同步是该系统的关键技术难点之一。TIG焊电弧在焊接过程中存在高频振荡，不同时刻电弧的发光强度和空间分布可能发生变化。如果图像采集时刻与电弧状态不匹配，可能导致焊缝位置检测偏差。系统通过硬件触发同步电路，将图像采集时刻锁定在焊接电流的特定相位，确保每次采集的图像具有可比性。

图像处理算法分析

在软件方面，系统面临的主要挑战是自适应阈值分割和焊缝位置提取。焊接过程中，电弧亮度、工件表面状态和焊接速度等因素会导致图像灰度分布不断变化，固定阈值方法难以适应这种动态变化。系统采用自适应阈值算法，根据当前图像的全局和局部灰度统计特征动态调整分割阈值，从而在不同工况下均能可靠地分割出焊缝区域。

焊缝位置提取算法需要满足实时性要求。在TIG焊自动焊接中，焊缝跟踪系统的响应速度直接影响焊接质量。系统采用边缘检测与中心线拟合相结合的算法，先通过梯度算子检测焊缝边缘，再通过最小二乘法拟合中心线，计算焊炬与焊缝的偏差，输出位置修正信号。整个图像处理过程需在数十毫秒内完成，以满足焊接过程的实时控制需求。

工程应用价值

在钢管焊接生产中，焊缝跟踪系统对于保证环焊缝和直焊缝的焊接质量具有重要作用。特别是在大口径钢管的环焊缝焊接中，由于管口错边量、装配间隙不均匀以及焊接过程中的热变形等因素，焊缝位置可能发生偏移。如果焊炬不能实时跟踪焊缝，将导致焊缝偏位、未焊透或咬边等缺陷。

对于螺旋焊管（SSAW）和直缝埋弧焊管（LSAW）的焊接，虽然主要采用埋弧焊（SAW）工艺，但焊缝跟踪技术同样适用。在螺旋焊管的焊接中，螺旋焊缝的螺旋角和节距对焊接质量有重要影响，焊缝跟踪系统可以确保焊接始终沿着预定的螺旋线进行。对于直缝焊管，焊缝跟踪可以补偿管体滚动和装配偏差，保证直焊缝的直线度。

在实际工程中，无辅助光源图像法焊缝跟踪系统的可靠性至关重要。焊接现场环境恶劣，存在强光干扰、烟尘遮挡、振动等因素。该系统通过窄带滤光片和自适应图像处理算法，在一定程度上克服了这些干扰。但在实际操作中，仍需要注意以下问题：一是滤光片的透过率随使用时间下降，需要定期更换或清洁；二是烟尘在镜头上的积聚会影响图像质量，需要配置吹扫装置；三是焊接速度变化时，图像处理算法需要相应调整，以适应不同的图像特征。

学习心得与启示

本文的研究体现了焊接传感技术从简单到复杂、从被动到主动的发展历程。无辅助光源图像法相比传统的电弧偏吹法、磁传感法等，具有更高的检测精度和更强的环境适应性。特别是在TIG焊这种对焊缝成形要求较高的工艺中，图像法能够提供丰富的焊缝几何信息，不仅可用于位置跟踪，还可用于焊缝宽度、余高等参数的在线监测。

从工程应用角度看，焊缝跟踪系统的引入显著提高了焊接自动化水平和产品质量一致性。在钢管焊接领域，特别是对于高附加值产品（如API 5L X70/X80管线管、ASME B16.9管件），焊缝质量的稳定性直接关系到产品的市场竞争力。焊缝跟踪系统的可靠应用，可以有效降低废品率，提高生产效率。

然而，也应当认识到，图像法焊缝跟踪在复杂焊接条件下的局限性。例如，在存在明显弧坑、飞溅或熔池振荡的情况下，图像特征可能变得模糊，影响位置检测精度。此外，对于薄壁管TIG焊，电弧与熔池的光辐射特征可能相互混杂，增加了图像处理难度。因此，在实际工程应用中，需要根据具体的焊接工况选择合适的传感方法，必要时采用多传感融合策略，以提高系统的鲁棒性。