基于计算机图像处理的FCAW熔滴过渡形态的分析

基于计算机图像处理的FCAW熔滴过渡形态的分析 基于计算机图像处理的FCAW熔滴过渡形 态的分析 第27卷第5期太原科技大学Vo1.27No.5 2006年10月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOF,SCIENCEANDTECHNOLOGYOct.200 6 文章编号:1673—2057(2006)05—0381—04 基于计算机图像处理的FCAW熔滴过渡形态的分析 赵丽,张富巨 (1.太原科技大学,太原030024;2.武汉大学,武汉430072) 摘要:利用计算机图像处理系统观察了CO保护气氛下,药芯焊丝电弧焊的熔滴 过渡行为,电弧形态等电弧物理现象, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了熔滴过渡的类型.研究结果表明,随着焊接 参数的增大,药芯焊丝依次出现短路过渡,大颗粒过渡和细颗粒过渡,并观察分析了药芯 焊丝产生的滞熔现象. 关键词:计算机图像处理;药芯焊丝;气保护电弧焊;熔滴过渡 中图分类号:TG403文献标识码:B 药芯焊丝是继手工电弧焊用涂料焊条和气体 保护焊用实芯焊丝之后出现的一种高科技焊接材 料.因为具有生产率高,焊缝质量高,焊接工艺性 能好,焊丝对母材适用性强,综合焊接生产成本低 等显着优点,药芯焊丝电弧焊(FCAW)得到迅速发 展.熔滴过渡是FCAW的重要物理特性,直接影响 焊接过程稳定性,焊缝成形及飞溅大小.本文利用 所设计的计算机图像采集系统拍摄不同焊接参数 下FCAW的熔滴过渡的图像,对其过渡类型和电弧 形态进行了研究,目的是为焊接工艺参数的选择, 丰富焊接电弧物理理论提供参考. 1图像采集系统 设计的药芯焊丝CO:电弧焊熔滴过渡的图像 采集系统如图1所示.该系统由照明系统,电弧,图 像采集和处理三部分组成. 1.1照明系统 由于电弧亮度很高,直接作为光源,拍摄到的 "—- 卜一—.卜—-卜一—-卜一—-卜一+-—-卜? 电弧空间仅为一片白色,熔滴往往被强烈的弧光所 I.高压氙灯;2.聚焦透镜;3.焊枪;4.工件;5.行走小车; 6.电弧分析仪;7.高速CCD;8.图象聚集卡;9.计算机. 图1熔滴过渡图像采集系统 Fig.1Theimagegrabbersystemofmeltn.ansfer 掩盖,不能显示出来…,必须采用背光光源.对于 此光源的要求是高速CCD受到的光的亮度要大于 电弧的亮度.文献[2]介绍了两种背光光源,本系 统采用高压氙灯和平透镜组成的聚光器作为背面 照明.高压氙灯发出的强光通过透镜聚焦到电弧 上,并被摄入图像传感器,从而拍摄到焊接电弧的 阴影像.透镜选用30mm的平凸透镜,焦距为 350mm.由于高压氙灯辐射的热量高,因此还需用 收稿日期:2005-11.10 作者简介:赵丽(1975一),硕士研究生,主要研究方向为焊接过程自动控制. 二\ . 382太原科技大学2006正 鼓风机向它送风进行冷却. 1.2电弧 为使熔滴能清楚地在显示器上显示,采用电弧 分析仪并在其镜头前装紫外线滤光镜,阻挡电弧 光,减少进入CCD的光通量,并且电弧分析仪能够 将电弧与熔滴尺寸放大8一l2倍,得到清晰的熔滴图 像. 调节实验仪器过程中,应注意将背光光轴,焊接电 弧和电弧分析投影仪安放在同一轴线上,这样才能显 示良好的实验效果.拍摄时工件随行走小车运动,焊 枪固定,以保证电弧位置相对于光学系统始终固定. 1.3图像采集和处理 与以光学胶片为载体的高速摄影技术相比,用高 速CCD,图像采集卡组成的图像采集系统研究熔滴过 渡具有以下的优势:? 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 信息量大;?被记录信息 易于编辑处理;?降低实验成本;?缩短实验周期. CCD选用德国BASLER公司生产的A301bc数字摄 像机,帧频为80帧/s;图像采集卡选用加拿大Matrox 公司生产的MatroxMeteor—II/Digital数字图像采集 卡. 熔滴图像的存储格式为位图图像,产生的图像 比较细致,层次和色彩也比较丰富,真实,而且位图 可利用图像获取设备装入内存直接显示. 拍摄时,光学系统的失真,大气流动等因素,都会 使熔滴图像模糊,失真;而传输过程中,由于空间和时 间噪声的污染,图像质量也会有所下降.因此,利用 AdobePhotoshop软件做熔滴图像的锐化,变换等处理 工作,使熔滴与电弧清晰,图像尺寸减小. 2实验条件 焊丝采用日本川崎制铁株式会社生产的FTr一 50S药芯焊丝,焊丝截面积为0型;焊丝直径:4,1.2 mm;工件材质为Q235A;焊接电源为日本松下产 KR350型药芯焊丝专用CO:半自动焊机.保护气 体为CO:气体.实验焊接工艺参数:CO:气体流 量:16L/min,焊丝干伸长:18mm,电源极性:直流 反接,焊接速度:5mm/s. 3药芯焊丝电弧焊熔滴过渡行为的观 察分析 实验选择不同的焊接参数见表1所示,拍摄了 FT-50S药芯焊丝的熔滴过渡图像,图2,图3为经过 处理后得到的图像,拍摄时间为0.05S.通过对熔 滴过渡图像的分析,可以看出,药芯焊丝的熔滴过 渡类型主要有短路过渡,大颗粒过渡,细颗粒过渡 等三种形式,过渡类型及过渡状况如表1所示. 表1焊接规范 Tab.1Theweldingspecifications 过渡方式焊接电流(A)电弧电压(V) 短路过渡14018 大颗粒过渡20o25 细颗粒过渡26027 a)短路过渡b)大颗粒过渡 图2药芯焊丝的短路过渡和大颗粒过渡 Fig.2Sh0rttransferandrepelledglobulartransfer a)细颗粒过渡b)强规范下的过渡 图3药芯焊丝的细颗粒过渡和强规范下的过渡 Fig.3Smalldroptransferandtransfer ofbiggerspecification 第27卷第5期赵丽,等:基于计算机图像处理的FCAW熔滴过渡形态的分析383 3.1短路过渡 短路过渡是指电流较小,电压较低时,熔滴未 长成大滴就与熔池接触短路,并在力的作用下过渡 到熔池中的熔滴过渡形式.过程如图2(a)所示:电 弧燃烧后,析出的热量熔化焊丝形成熔滴;随着熔 滴长大并逐渐移向熔池,电弧弧长变短,直到熔滴 与熔池短路,电弧熄灭.此时,电压急剧下降,短路 电流逐渐增大,电磁收缩力也增加,使得熔滴与焊 丝间形成短路液桥,在表面张力和电磁力的共同作 用下,液桥失稳断裂,熔滴过渡到熔池中,电弧电 压又迅速恢复,电弧重新被引燃.药芯焊丝短路过 渡时电弧被引燃,燃烧,熄灭,再引燃,呈现出周期 性的特点,因此比较稳定,飞溅也较少. 3.2大颗粒过渡 当焊接电流不太大(,=200A),电弧电压较高 时(U=25V),熔滴以大颗粒状穿越电弧空间飞向 熔池.如图2(b)所示,焊丝被送进的过程中,其端 部熔化形成熔滴,并逐渐长大,由于弧长较长,熔滴 不易与熔池短路.因焊接电流小,熔滴与焊丝之间 的电磁力不足以使熔滴形成缩颈,同时,由于CO: 气体高温分解吸热对电弧的冷却作用,促使电弧收 缩,从拍摄的图片看到,电弧弧根直径小于熔滴直 径,斑点压力增加,阻碍熔滴过渡,直到熔滴受到的 重力大于表面张力及斑点压力时形成大颗粒过渡. 3.3细颗粒过渡 焊接参数继续增大时(280A/28V),熔滴细化,发 生细颗粒过渡,如图3(a)所示.电弧弧根移至焊丝 端部,几乎包围整个熔滴,电弧斑点面积增加,形成的 斑点压力促进熔滴过渡;同时,随着焊接电流的增加, 等离子流力也增大,两者共同作用,使熔滴与焊丝分 离,呈细颗粒状过渡到熔池中去.从焊接过程来看, 该过渡类型的飞溅比前两种过渡类型少,电弧稳定, 焊缝成型好,是较稳定的熔滴过渡形式. 还进行了强规范实验,焊接参数为320A/35V, 以考察强规范下的熔滴过渡行为.如图3(b)所示, 熔滴:l刍=径更小,熔滴过渡频率更高,但没有观察到 喷射过渡形式,仍为细颗粒过渡.由于CO气体的 解离吸热作用,使弧柱电场强度提高,电弧收缩,跳 弧的临界电流值增加,不可能产生跳弧现象,因此 很难发生纯氩气氛下的喷射过渡形式. 4药芯焊丝滞熔现象的观察分析 从拍摄的图像还观察到,药芯物质总是滞后于 钢皮熔化,称为滞熔.这是由于,电弧引燃时,包围 药芯的钢皮导电性好,电阻热首先对钢皮作用,使 其熔化形成熔滴,电弧继续燃烧, 药芯才受热熔化,在焊丝下方形 成柱体,随着焊丝的送进,柱体与 熔池接触,但是电弧并没有被短日路熄灭,仍然在燃烧,说明柱体没图4滞熔现象 有电流通过,由此判断,该柱体不Fig.4Thelagging 是液态金属,而是药芯滞后熔化meltphenomenon 形成的渣柱(见图4).不断熔化的药芯物质沿着渣 柱流向熔池,而熔滴则偏离轴线,旋转过渡到熔池 中,形成渣滴分离的过渡方式. 5结论 (1)运用计算机图像采集系统研究FCAW熔滴过 渡行为,具有易于编辑处理,成本低,周期短等优点. (2)随着焊接规范增大,药芯焊丝在CO:电弧 焊下的熔滴过渡规律为:短路过渡,大颗粒过渡,细 颗粒过渡.在强规范下没有发生喷射过渡. (3)由于药芯焊丝存在滞熔现象,使得熔滴的过 渡方式为渣滴分离过渡,熔滴过渡路径偏离轴线. 参考文献: [1]安藤弘平,长谷川光雄.焊接电弧现象(增补版)[M].北京:机械工业出版社,1985. [2]杨运强,张晓琪,李俊岳,等.焊接电弧高速摄影技术及其同步装置[J].电焊机,2003,33(1):11-14 [3]杨立军,李桓,李俊岳,等.CO焊短路液桥的力学分析[J].电焊机,2004,34(3):4-7. —— Analysis.fMeItTransferPr.cessforFCAwBased OnComputerImageProcessing (1.Taiyuan ZHAOLi,ZHANGFu-ju University.fScienceandTechnol.gY,Taiyuan030o24,china; 2.WuhanUniversity,Wuhan430072,China) yrzed',s1em. coredwire,gasshieldedarcwelding,melttransfe KwOrds:computerimageprocessingsystem,fluxcoredwe'儿…一一 (上接第380页,Continuedfrompage380) MeasurementofResidualStressesofCompos-te MaterialsbyBlind?holeMethod HOULi.1i,CHANGHang (Taiyuanunive咖0fscienceandTechn.logy,Taiyuan030024,China) different t. d -l epthare . discussed bli ' , lc.mpositematedals,phaseshiftmoir6inteencendholemethodresiduastress,KevwOrds :., lcomp.?'…… 一 SS.二-一 一一 San.== a?eO.里l言一眦{8吣一一, 蜘心血u gm矧m删 一,出瞄一 , e.Knn孙睢 n-呈i.旨兰一l;. l-dn m螂SpeSt ,-呈im呲=丢『协 _蚕 唔一惴ndam一暑v呈;血懈兰一 一 ?t)l吾酬,,l(nA眦k删山洲叭{;C.,f',aOrtSnbn