專利名稱：二氧化碳激光－熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種焊接技術(shù)領(lǐng)域的攝影系統(tǒng)，特別是一種二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
焊接電弧現(xiàn)象由于熔滴過渡頻率高(一般為幾十赫茲)，熔滴被籠罩在強(qiáng)烈的電弧光中，且熔滴過渡速度快(可達(dá)每秒幾十米)等特點(diǎn)。用肉眼無法直接觀察，必須用高速攝像或者攝影的方法進(jìn)行觀察研究。目前焊接過程研究普遍使用的高速攝影系統(tǒng)由光源部分、擴(kuò)束部分、成像部分和攝影部分組成。其中光源部分一般采用固定功率的氣體激光器，經(jīng)過擴(kuò)束后形成一定尺寸的光斑，光束穿過焊絲熔化區(qū)域，由成像部分的透鏡進(jìn)行會聚，再通過小孔光闌及干涉濾光片到達(dá)成像屏形成焊絲的陰影像，最后由攝影部分進(jìn)行拍攝。上述傳統(tǒng)高速攝影系統(tǒng)，可以應(yīng)用于藥芯焊絲、熔化極氣體保護(hù)焊短路過渡焊接以及熔化極氣體保護(hù)焊脈沖焊接等過程的研究，但對于輸入功率在6千瓦以上的大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程的研究則無法采用。原因在于大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程中除了熔化極氬弧焊脈沖焊接會帶來的弧光影響外，還存在著大功率二氧化碳在熔化金屬時(shí)產(chǎn)生的大量的高亮度等離子體，用傳統(tǒng)弧焊高速攝影系統(tǒng)無法拍攝到由等離子體和弧光雙重遮蔽的熔滴行為，因此對大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接機(jī)理研究造成了障礙。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李桓在《中國機(jī)械工程》2002年5月第13卷第9期上發(fā)表了題為“熔化極電弧焊熔滴過渡過程的高速攝影”的論文，采用波長為632.8nm的氦氖激光器，顯微目鏡及凸透鏡組成的擴(kuò)束鏡，由中心波長632.8nm、透過寬度約1％、透過率為70％的干涉濾光片、成像物鏡、小孔光闌組成的成像部分和標(biāo)準(zhǔn)底片光學(xué)補(bǔ)償式高速攝影機(jī)(德國產(chǎn)，Pentazet35型，35mm底片)，對熔化極電弧焊過程進(jìn)行研究。其中選用電弧光幅值較弱的632.8nm窗口段，進(jìn)行背光和干涉濾光片的匹配，以及針對熔化極電弧現(xiàn)象的特性進(jìn)行合適的放大率、拍攝頻率的選擇，靈活的選擇分幅與轉(zhuǎn)向等都對提高拍攝質(zhì)量起了很大的作用。但由于采用固定功率的氦氖激光器，在面向激光功率參數(shù)和熔化極氬弧焊焊接規(guī)范需要多次變換的大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程則靈活性不夠，不能保證全范圍參數(shù)更改時(shí)激光對等離子體和電弧光的削弱效果。所搭建的光學(xué)系統(tǒng)要求擴(kuò)束管、成像物鏡、小孔光闌、干涉濾光片、鏡頭嚴(yán)格同軸，且光學(xué)部件相對擺放距離較遠(yuǎn)，在安裝調(diào)整焦距時(shí)耗時(shí)巨大，造成非專業(yè)人員使用困難。另外，小孔光闌在光學(xué)系統(tǒng)中主要進(jìn)行中性濾光，對弧光和激光進(jìn)行相同程度的衰減避免曝光過度，但小孔光闌的調(diào)節(jié)范圍很小，對于不同強(qiáng)度的背光源和弧光使用非常不便。因此無法應(yīng)用于大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，提供一種二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，使其能夠直接拍攝到焊接過程中的清晰熔滴圖像，實(shí)現(xiàn)在高強(qiáng)度等離子體、強(qiáng)脈沖弧光同時(shí)遮蔽的情況下，對熔滴行為的捕捉，并大大縮短了光學(xué)調(diào)整時(shí)間，使得非專業(yè)操作人員可以方便的使用。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束管、三維光學(xué)調(diào)整架、多層紫外增透片、圓偏振片組合、干涉濾光片、金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)、攝影鏡頭、轉(zhuǎn)接頭、攝影機(jī)；其中半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束管和三維光學(xué)調(diào)整架組成光源機(jī)構(gòu)，擴(kuò)束管嵌套于三維光學(xué)調(diào)整架的內(nèi)環(huán)中，半導(dǎo)體激光器靠近擴(kuò)束管的顯微目鏡位置擺放，調(diào)整三維光學(xué)調(diào)整架達(dá)到出射激光與擴(kuò)束管光學(xué)同軸；多層紫外增透片、圓偏振片組合、干涉濾光片、金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)和攝影鏡頭組成成像機(jī)構(gòu)，多層紫外增透片、圓偏振片組合、干涉濾光片分別嵌于金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)內(nèi)，按照多層紫外增透片朝向工件、多層紫外增透片和干涉濾光片處在兩側(cè)、圓偏振片組合在中間的次序通過金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)的螺紋接口擰在一起，形成濾光部分的封裝結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)與攝影鏡頭通過各自的螺紋接口相連接；攝影機(jī)與轉(zhuǎn)接頭組成攝影機(jī)構(gòu)，攝影機(jī)與轉(zhuǎn)接頭通過各自的C型接口連接；光源機(jī)構(gòu)位于工件一側(cè)并調(diào)整至同軸，成像機(jī)構(gòu)和攝影機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)接頭連接，位于工件另一側(cè)并與工件、成像機(jī)構(gòu)同軸放置。
所述的半導(dǎo)體激光器是波長為650nm、激光光斑直徑為2mm、功率由0至80毫瓦線性可調(diào)的磷化鋁鑭鎵型半導(dǎo)體激光器。
所述的擴(kuò)束管是倍數(shù)為12.5倍、由朝向激光出射口的顯微目鏡與朝向拍攝對象的凸透鏡封裝成的擴(kuò)束管。
所述的多層紫外增透片，其透光率在99％以上，具有多層鍍膜并可濾紫外線。
所述的圓偏振片組合由兩張相同的圓偏振片分別嵌于金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)內(nèi)，通過金屬螺紋接口連接組成。
所述的干涉濾光片，其中心波長為650nm、帶寬為5nm、透過率為75％。
所述的攝影鏡頭是口徑為65mm、焦距為28至85mm的變焦攝影鏡頭。
所述的轉(zhuǎn)接頭是C型攝影接口至F型攝影接口的轉(zhuǎn)接頭，以連接數(shù)字高速攝影機(jī)的攝像頭提供的C型接口和口徑65mm的攝影鏡頭提供的F型接口。
所述的攝影機(jī)是最高拍攝速度為10000幀/秒的數(shù)字高速攝影機(jī)。
本發(fā)明通過半導(dǎo)體激光器線性調(diào)節(jié)功率輸出，達(dá)到激光背光強(qiáng)度的線性變化，可以根據(jù)大功率二氧化碳激光器的焊接功率以及熔化極氬弧焊焊接規(guī)范大小的不同進(jìn)行調(diào)整。成像機(jī)構(gòu)中通過相對旋轉(zhuǎn)圓偏振片組合中的兩張圓偏振片，根據(jù)馬呂斯定律可以獲得入射光強(qiáng)度的明暗變化。因此通過匹配背光光源的強(qiáng)度以及偏正片的相對角度，通過高速攝影機(jī)可以獲得合適對比度的大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程中熔滴的清晰圖像。
本發(fā)明采用半導(dǎo)體激光器作為光源，出射激光功率在零至最高功率范圍內(nèi)可線性調(diào)節(jié)，能夠保證背光對大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接在不同工藝條件下的等離子體及弧光的抑制。成像機(jī)構(gòu)中，基于馬呂斯定律雙圓偏振片的運(yùn)用，取代了小孔光闌，可定量的衰減進(jìn)光強(qiáng)度，精確調(diào)整背光、等離子體、電弧光的總強(qiáng)度，避免高速攝影機(jī)CCD(電荷藕合器件)因?yàn)楣鈴?qiáng)太大造成損壞。多層紫外增透片的使用，既避免了圓偏振片組合在拍攝過程中由于飛濺而造成的損壞，同時(shí)還保證了初始進(jìn)光量達(dá)到了99％以上。多層紫外增透片、圓偏振片組合、干涉濾光片、攝影鏡頭和轉(zhuǎn)接頭整體封裝設(shè)計(jì)，使得高速攝影機(jī)不再局限于C型接口的攝影鏡頭，可以使用型號規(guī)格更為齊全的F型接口常規(guī)攝影鏡頭，同時(shí)由于采用螺紋配合的鏡片整體封裝結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)不再需要考慮光學(xué)同軸問題。采用常規(guī)方式進(jìn)行光路搭建和調(diào)整專業(yè)操作人員需要耗時(shí)至少10個(gè)工作日而采用這種方式則只需要最多1個(gè)小時(shí)，大大縮短了常規(guī)高速攝影方式所耗費(fèi)的時(shí)間，也使得非專業(yè)操作人員可以方便的使用。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括半導(dǎo)體激光器1、擴(kuò)束管2、三維光學(xué)調(diào)整架3、多層紫外增透片6、圓偏振片組合7、干涉濾光片8、金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)、攝影鏡頭9、轉(zhuǎn)接頭10和攝影機(jī)11。圖1中二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合焊炬4、工件位5為實(shí)驗(yàn)設(shè)施。
啟動半導(dǎo)體激光器1，調(diào)整功率至10mw，使出射紅色激光入射于擴(kuò)束管2的顯微目鏡；調(diào)節(jié)三維光學(xué)調(diào)整架3，使擴(kuò)束出射光斑在白色色卡上呈亮度均一的直徑為25mm的圓面，則表示半導(dǎo)體激光器1和擴(kuò)束管2已同軸，光源機(jī)構(gòu)搭建完成。
將多層紫外增透片6、圓偏振片組合7和干涉濾光片8按照多層紫外增透片6朝向工件位5，干涉濾光片8朝向鏡頭9的次序，通過直徑65mm的金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)依次安裝，形成鏡片組合，再將鏡片組合通過干涉濾光片8的圓形螺紋接口和鏡頭9擰在一起，則整個(gè)成像機(jī)構(gòu)組合完成；使用轉(zhuǎn)接口10，將成像機(jī)構(gòu)與攝影機(jī)11連接在一起。
將光源機(jī)構(gòu)放置于二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合焊炬4一側(cè)，距離約1米，將成像機(jī)構(gòu)和攝影機(jī)構(gòu)放置于另一側(cè)約1米處，并調(diào)整為等高如圖1所示。打開攝影機(jī)11，將拍攝速率選擇為30幀/秒。打開半導(dǎo)體激光器1，將功率調(diào)至5mw；將圓偏振片組合7相對偏振角度調(diào)至30度；微調(diào)攝影機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使攝影機(jī)11監(jiān)視器上顯示出現(xiàn)紅色光斑，固定姿態(tài)；調(diào)節(jié)鏡頭9的焦距和放大倍數(shù)，使焊絲、工件5的粗糙陰影像顯示于監(jiān)視器中心位置；將攝影機(jī)11的拍攝速率調(diào)整為2000幀/秒，將半導(dǎo)體激光發(fā)生器1功率調(diào)至50mw，調(diào)整圓偏振片組合7相對角度至80度，微調(diào)鏡頭9的焦距在監(jiān)視器上獲得焊絲、工件5邊緣清晰的陰影像，二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)搭建完成。以上調(diào)整數(shù)據(jù)適用二氧化碳激光功率為8kw，熔化極氬弧焊規(guī)范為電流110A，電壓25V的焊接工藝。
以上涉及的半導(dǎo)體激光器1是波長為650nm、激光光斑直徑為2mm、功率由0至80毫瓦線性可調(diào)的磷化鋁鑭鎵型半導(dǎo)體激光器；擴(kuò)束管2是倍數(shù)為12.5，由朝向激光出射口的顯微目鏡與朝向拍攝對象的凸透鏡封裝成的擴(kuò)束管；三維光學(xué)調(diào)整架3；多層紫外增透片6是日本肯高株式會社制、型號Kenko L37 SuperPro、直徑65mm、透光率99.9％；圓偏振片組合7是德國B+W光學(xué)鏡片公司制，型號Slim CPL、直徑65mm、濾光因數(shù)3-4；干涉濾光片8是中心波長為650nm、帶寬為5nm、透過率為75％的干涉濾光片；鏡頭9是日本尼康公司制、型號AISF3.5-4.5、直徑65mm、焦距28-85mm；轉(zhuǎn)接口10是C型攝影接口至F型攝影接口的轉(zhuǎn)接口；數(shù)字高速攝影機(jī)11是日本福昌株式會社制、型號FASTCAM 10KC、C型接口、最高拍攝速度10000幀/秒。
本實(shí)施例安裝調(diào)試耗費(fèi)時(shí)間很少，且光軸的調(diào)整可以通過監(jiān)視器直接觀測完成，簡單高效；鏡頭選擇范圍大，可以更換大倍數(shù)攝影鏡頭捕捉熔滴行為更為細(xì)致的圖像。本實(shí)施例有效的克服了大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程總輸入功率大、工藝規(guī)范多變、成像環(huán)境復(fù)雜的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了清晰熔滴行為的拍攝，對進(jìn)一步研究大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源的過程機(jī)理提供了條件。
權(quán)利要求
1.一種二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，包括擴(kuò)束管(2)和干涉濾光片(8)，其特征在于，還包括半導(dǎo)體激光器(1)、三維光學(xué)調(diào)整架(3)、多層紫外增透片(6)、圓偏振片組合(7)、金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)、攝影鏡頭(9)、轉(zhuǎn)接頭(10)、攝影機(jī)(11)，其中半導(dǎo)體激光器(1)、擴(kuò)束管(2)和三維光學(xué)調(diào)整架(3)組成光源機(jī)構(gòu)，擴(kuò)束管(2)嵌套于三維光學(xué)調(diào)整架(3)的內(nèi)環(huán)中，半導(dǎo)體激光器(1)靠近擴(kuò)束管(2)的顯微目鏡位置擺放，調(diào)整三維光學(xué)調(diào)整架(3)達(dá)到出射激光與擴(kuò)束管(2)光學(xué)同軸，多層紫外增透片(6)、圓偏振片組合(7)、干涉濾光片(8)、金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)和攝影鏡頭(9)組成成像機(jī)構(gòu)，多層紫外增透片(6)、圓偏振片組合(7)、干涉濾光片(8)分別嵌于金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)內(nèi)，按照多層紫外增透片(6)朝向工件(5)、多層紫外增透片(6)和干涉濾光片(8)處在兩側(cè)、圓偏振片組合(7)在中間的次序通過金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)的螺紋接口擰在一起，形成濾光部分的封裝結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)與攝影鏡頭(9)通過各自的螺紋接口相連接，攝影機(jī)(11)與轉(zhuǎn)接頭(10)組成攝影機(jī)構(gòu)，攝影機(jī)(11)與轉(zhuǎn)接頭(10)通過各自的C型接口連接，光源機(jī)構(gòu)位于工件(5)一側(cè)并調(diào)整至同軸，成像機(jī)構(gòu)和攝影機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)接頭(10)連接，位于工件(5)另一側(cè)并與工件、成像機(jī)構(gòu)同軸放置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的擴(kuò)束管(2)是倍數(shù)為12.5、由朝向激光出射口的顯微目鏡與朝向拍攝對象的凸透鏡封裝而成的擴(kuò)束管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的半導(dǎo)體激光器(1)是波長為650nm、激光光斑直徑為2mm、功率由0至80mw線性可調(diào)的磷化鋁鑭鎵型半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的多層紫外增透片(6)，其透光率在99％以上，具有多層鍍膜并可濾紫外線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的圓偏振片組合(7)由兩張相同的圓偏振片分別嵌于直徑65mm的金屬螺紋接口鏡片圓環(huán)內(nèi)，通過金屬螺紋接口連接組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的干涉濾光片(8)，其中心波長為650nm、帶寬為5nm、透過率為75％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的攝影鏡頭(9)是口徑為65mm、 焦距為28-85mm的可變焦攝影鏡頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的轉(zhuǎn)接頭(10)是C型攝影接口至F型攝影接口轉(zhuǎn)接頭，以連接攝影機(jī)(11)的攝像頭提供的C型接口和攝影鏡頭(9)提供的F型接口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或者8所述的二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，其特征是，所述的攝影機(jī)(11)是最高拍攝速度為10000幀/秒的數(shù)字高速攝影機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二氧化碳激光－熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程攝影系統(tǒng)，屬于焊接過程研究技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束管、三維光學(xué)調(diào)整架、多層紫外增透片、圓偏振片組合、干涉濾光片、攝影鏡頭、轉(zhuǎn)接頭、攝影機(jī)。其中半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束管和三維光學(xué)調(diào)整架組成光源機(jī)構(gòu)；多層紫外增透片、圓偏振片組合、干涉濾光片和攝影鏡頭組成成像機(jī)構(gòu)；攝影機(jī)與轉(zhuǎn)接頭組成攝影機(jī)構(gòu)；光源機(jī)構(gòu)位于拍攝對象一側(cè)，成像機(jī)構(gòu)和攝影機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)接頭連接，位于拍攝對象另一側(cè)并于光源機(jī)構(gòu)同軸放置。本發(fā)明很好的解決了大功率二氧化碳激光—熔化極氬弧焊復(fù)合熱源焊接過程中等離子體和弧光雙重遮蔽下熔滴的高速圖像拍攝問題。
文檔編號H01S5/00GK1963663SQ20061011924
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者王廣偉, 蔡艷, 華學(xué)明, 黃堅(jiān), 李芳 申請人:上海交通大學(xué)