采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法

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1.本发明涉及一种窄间隙激光填丝焊接的方法，具体讲是一种采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，属于激光焊接技术领域。

背景技术：

2.低碳钢在工业生产中应用占比较大，其广泛应用于矿山机械、压力容器、电厂、桥梁等主体结构件。目前，工程机械行业中存在着大量的中厚板(中板厚度大于等于12mm，厚板厚度大于20mm)焊接的难题。传统的电弧焊存在效率低、能耗大、成本偏高、质量一般等问题，采用窄间隙激光填丝焊替代co2气体保护焊的方法，由传统的45
°
坡口变为窄间隙坡口(坡口单边角度为3
°
)，并向坡口内自动送入焊丝，激光光束使焊丝熔化，冷却后与母材一同形成焊缝，在激光体前方或者后方装有导气管，侧吹惰性气体对金属等离子体进行抑制，同时对焊缝进行气体保护。窄间隙激光填丝方式的焊丝填充量可节省80％左右，加工效率可提高8～10倍，大大节约了成本与能耗；减少了热输入，改善焊接应力与变形问题，提升产品质量。同时。在激光光束作用下，母材金属熔化形成匙孔。因此，窄间隙激光填丝焊技术集合了窄间隙焊接和激光焊接的优势，成为厚板焊接中最具潜力的研究方向之一。
3.目前，针对窄间隙激光填丝焊接不同焊接工艺参数(丝距工件表面距离、激光功率、焊接速度、送丝速度、振镜摆动频率、振镜摆动振幅)对焊缝成形规律研究以及针对不同厚度的工件实时监控并调整优化焊接工艺参数较少，对于复杂结构件的加工，对于焊接工艺研究时，过量的试验导致成本较高。
4.2020年5月29日，中国发明专利申请2020100455290公开了一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，通过高速摄像系统对双激光束双侧同步焊接填丝过程中熔滴的过渡模式和频率进行实时监控，以达到全程监控不同送丝速度下双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡的目的。但这种方法只是对不同送丝速度下监控熔滴过渡，不能对多种焊接参数进行监控并调节，影响焊接接头质量和焊接效率。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种全面采集窄间隙激光填丝焊接过程中焊接状态数据，能有效保证焊接接头质量和焊接效率的采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供的采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，包括以下步骤：
7.s1.实时采集焊接时熔池运动状态、焊丝熔化状态及熔滴过渡的画面；采集时，采集设备与激光束、焊丝端保持相对静止状态，待焊接工件旋转运动；
8.s2.对采集到的图像进行预处理；
9.s3.通过图像处理算法对熔滴的边缘轮廓形貌进行识别；
10.s4.截取经过s3识别后的图片进行处理得到焊道送丝端截面简化图；
11.s5.测量s4简化图中焊丝距离焊道两侧距离、焊丝距工件待焊位置的距离、熔池与侧壁之间的夹角、激光光源与焊丝的相对位置；
12.s6.根据s5测得的数据调整焊接参数。
13.本发明中，采集图像时，使用激光光源作为背光。
14.本发明中，所述s2的过程为：
15.s21.利用加权平均法，对图像的r、g、b三个通道的分量以不同的权值进行加权平均，得到较合理的灰度图像：l＝r*299/1000+g*587/1000+b*114/1000；
16.s22.对灰度图像进行图像几何变换；
17.s23.采用频率域法或空间域法对s22处理后的图像进行增强。
18.本发明中，所述s3的过程为：将预处理后的图片输入到cnn网络后，通过多个卷积池化操作，提取图片的特征，再将图片特征送入全连接层网络完成图像的分类识别。
19.本发明中，所述s4的过程为：
20.s41.将图片传输到识别系统进行图片的灰度处理；
21.s42.对灰度处理的图片进行二值转化；
22.s43.在处理后的图片上寻并绘制轮廓。
23.本发明的有益效果在于：(1)通过高速摄影拍摄采集处理后，对各焊接工艺参数的设定范围内定性的判断熔滴过渡形式以及转变，判断熔池运动状态对焊缝的影响，进而动态地调整焊接参数，以保证焊接接头质量和焊接效率；(2)通过图像识别系统，能够对送丝端焊接截面形成简化图，能够测量焊道中焊接状态数据，为不同工程机械结构件窄间隙激光焊接提供依据；(3)通过简化图测量数据与实验数据库进行对比，及时调整优化焊接工艺参数，避免进行多次试验，从而提高效率，节约成本；(4)使用激光光源作为背光，可以衰减焊接时的弧光，从而保证采集设备中获得清晰影像。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为焊接装置结构示意图；
26.图2为卷积神经网络模型结构图；
27.图3为图像智能识别系统结构示意图；
28.图4为比对流程示意图；
29.图5为焊丝距工件表面间距影响示意图；
30.图6为振镜摆动频率影响示意图；
31.图7为振镜摆动振幅影响示意图；
32.图8为不同摆动振幅下焊缝宏观形貌及焊道形貌图；
33.图9为激光器焊接功率影响示意图；
34.图10为激光器焊接速度影响示意图；
35.图11为送丝机送丝速度影响示意图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
42.如图1所示，本发明采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法所使用的焊接装置包括激光焊接系统1、数字化送丝控制系统2、高速摄影采集系统3和图像智能识别系统4。
43.其中，激光焊接系统1采用ipg yls 4000-s2t激光焊接器，激光器最大输出功率为4kw，光纤芯径为100um，焦距为300mm，ipg d30 wobble振镜设备，未开启振镜且离焦为零时光斑直径为0.15mm，开启振镜后，在零离焦时其偏转振幅最大为3mm，该设备最大承载激光功率为6kw，最大摆动频率为1000hz，配备fanuc m-20ia型机器人作为激光头运行承载机械臂，该设备最大运行半径为1811mm承载重量最大为20kg，重复定位精度可达0.04mm。
44.数字化送丝控制系统2采用wf25i reel r送丝机，其最大送丝速度为6m/min。
45.高速摄影采集系统3采用由optronis公司生产的cp80-3-m-540型高速摄影机，搭配使用bwt公司生产的diode laser system 40w激光光源5作为背光，分辨率为1696
×
1708，画面有效面积为13.57mm
×
13.68mm。
46.本实施例中，同时使用40w激光光源5作为背光，使激光束照在焊接位置，能够衰减焊接时的弧光，从而高速摄影设备中获得影像更加清晰。
47.图像智能识别系统装置4的系统架构如图3所示。
48.本实施例中采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法的具体过程如下：
49.步骤一：开启整个焊接系统，高速摄像机进行自动高频摄像；
50.步骤二：开启背光光源；
51.步骤三：对采集的图像进行预处理，提高图像的信噪比对彩。
52.(1)灰度化处理：依次对图像r、g、b三个通道依次进行处理。为了达到提高整个应用系统的处理速度的目的，需要对采集到的彩图像进行灰度化以减少所需处理的数据量。本实施例中，利用加权平均法，根据重要性将三个分量以不同的权值进行加权平均。鉴于人眼对绿的敏感最高，对蓝敏感最低，本实施例中按下式对rgb三分量进行加权平均能得到较合理的灰度图像，转换算法为：
53.l＝r*299/1000+g*587/1000+b*114/1000
54.式中，l为图像灰度值，r为红分量，g为绿分量，b为蓝分量。
55.(2)几何变换：通过平移、转置、镜像、旋转、缩放等几何变换对采经过灰度化处理的图像进行处理，以改正高速摄影采集系统的系统误差和仪器位置(成像角度、透视关系乃至镜头自身原因)的随机误差。此外，还需要使用灰度插值算法，(灰度插值是对灰度化图像的像素进行重新分布，从而来改变像素数量的一种方法；“插值”程序会自动选择信息较好的像素作为增加、弥补空白像素的空间，用来达到在放大图像时，图像看上去会比较平滑、干净的效果。)因为按照这种变换关系进行计算，输出图像的像素可能被映射到输入图像的非整数坐标上。通常采用的方法有最近邻插值、双线性插值和双三次插值。
56.3、图像增强：使用频率域法对几何变换变换后的图像进行增强处理，以改善图像的视觉效果，强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，并扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，以满足后续特殊分析的需要。
57.在实际使用过程中，也可以使用空间域法进行图像增强处理。
58.步骤四：通过图像处理算法对熔滴的边缘轮廓形貌进行识别，如图2所示：
59.(1)将预处理后的图片输入到cnn网络经过多个卷积、池化操作，提取图片的特征.
60.(2)将提取到的图片特征送入全连接网络进行分类识别；
61.(3)全连接层会将池化后的多组数据特征组合成一组信号数据输出，进行图片类别识别。
62.步骤五：截取步骤四得到的图片，传输到图像智能识别系统，得到焊道送丝端截面简化图；
63.(1)将图片传输到识别系统进行图片灰度处理，使用opencv(opencv是一个开源的计算机视觉库)的cv2.cvtcolor；
64.(2)对灰度处理的图片进行二值转化，选用opencv中的cv2.threshold；
65.(3)轮廓的寻，采用opencv中的cv2.findcontours方式；
66.(4)轮廓的绘制，采用opencv中的cv2.drawcontours在图像上绘制轮廓。
67.步骤六：测量简化图中焊丝距离焊道两侧距离、焊丝距工件待焊位置的距离、熔池与侧壁之间的夹角、激光光源与焊丝的相对位置。
68.将绘制好的图像导入image j中(image j是一个基于java的公共的图像处理软
件)，选择直线工具，在标尺上画出单位长度的直线，进行校准，在需要测量的两个顶点之间画直线，按ctrl+m测量长度；同理，选择角度测量工具，在需要测量的角上选取三个点，获得角度值。
69.步骤七：将步骤六测量获得的数据与前期大量实验汇总的数据形成的数据库进行比对，从而调整焊接工艺参数。
70.如图4所示，高速摄影拍摄截取图片(a)，然后获得焊道参量图(b)，通过图像智能识别系统装置对识别后的图片进行处理得到焊道送丝端截面简化图(c)，通过截面简化图测量的参量值(d)：首先确保焊丝位置，处于焊缝中间对称位置；测量δh值，对照前期实验数据库，δh值是否满足焊接良好范围之内；通过测量熔池与侧壁夹角α与β是否为锐角，满足有利于形成下道焊接的u型坡口。通过测量这些数值，对比实验数据库，如发现焊接时，测量值波动差异大，及时进行焊接工艺参数调整。
71.图5的上半部分为工件表面影像，下半部分焊接时间隙内部影像。图中δh为焊丝与工件表面之间的间距。从图5可以看出δh为0.5mm时，由于焊丝前端距离工件表面较近，激光能量聚焦在焊丝与工件上并使两者同时熔化，熔池形成面积较大。在焊接过程中，由于焊丝前段距熔池距离较小，熔池覆盖焊丝前端，焊丝插入熔池状态，激光在熔池内对焊丝加热使之熔化进行焊接，此时焊接过程无明显的熔滴过渡，此时熔滴过渡形式为铺展过渡。当δh为1、1.5mm时，焊丝前端距工作表面有一定距离，激光照射焊丝使其前端熔化形成熔滴，部分能量对工件进行加热使其熔化，形成的熔池与焊丝前端有较小间隙，此时在焊接时，在焊丝前端部分熔化生成较小熔滴，在熔滴未完全脱离焊丝时接触到熔池，由于表面张力作用，正在进行动态运动的熔池对形成的非完整熔滴有吸附作用，熔滴平稳的由焊丝前端过渡到熔池内部，在高速摄影下可观察到，此时焊接产生的飞溅较小。当δh为2mm时焊缝中部产生较大的凸起，不利于下一道次填充焊接，会形成层间未熔合、气孔等缺陷。
72.图6中上半部分为焊接时间隙内部影像，下半部分焊接完成后焊接部截面图。从图6中可以看出，较小频率下进行摆动焊接时，焊接熔池波动幅度较小，在填丝焊接时，激光在焊丝前端停留时间较短，无法对焊丝进行充分熔化，造成熔滴呈铺展过渡形式进入熔池，随着摆动频率的增加，熔池流动性加大，液态焊缝金属在摆动激光影响下，具有向侧壁运动的趋势，随着摆动频率的进一步增大，熔池波动越剧烈。熔滴过渡形式由铺展过渡到液桥过渡，可从高速摄影图片中看到，光源的摆动进一步促进了熔池的流动性，且激光光斑在沿逆时针圆路径运动，摆动频率不同，单位面积内热源停留时间随着摆动频率的增加而减小。采用20hz摆动频率焊接时，熔池几乎无波动，随着摆动频率的增加，可明显看到，熔池向坡口侧壁方向运动的趋势更明显。
73.与传统激光填丝焊接相比，采用摆动激光焊接后可发现，填充焊接后焊道上方的凸起部位消除明显，焊接后呈u型坡口。研究发现在激光摆动频率较低时，单位时间内，激光热源在同一区域加热时间较长，能量较集中，且由于熔池波动较小，热量向远离焊接熔池传导的能力变弱，会造成热量在焊缝中部处较为集中，填丝焊接后焊道中部出现裂纹。随着摆动频率的增加，熔池受热更加均匀，热源在各个位置停留时间减小，熔池波动较为明显，热量传递到侧壁的倾向较明显，焊接裂纹消失。当摆动频率增加到40hz和60hz时，可以得到有利于下一层填丝焊接的u型焊道，当摆动频率为40hz时熔池底部出现冷裂纹缺陷，造成焊接缺陷。从图6下半部分的焊道俯视图可以看出，当激光束摆动频率为20hz和80hz有不同程度
的凸起和凹陷。结合焊缝截面图可以看出，当摆动频率为80hz时，摆动频率过高时焊缝中部有连续的凸起，在下面一道的填丝焊接时易产生层间未熔合和气孔缺陷。从该图中可以看出，随着激光摆动频率的增加，熔宽呈线性增长，熔深先下降，随后保持在同一水平，可以看出摆动频率对焊缝熔宽影响较大，焊缝成形系数呈增长趋势，且当激光摆动频率为40hz、60hz时焊缝成形系数近似。综上所述，当摆动频率为60hz时，焊道未出现明显缺陷，形成的u形截面有利于下道填丝焊接，当摆动频率为60hz时焊缝成形质量最佳。
74.从图7和8可以看出，光斑摆动直径较小时，激光光源主要集中在焊丝前端，使焊丝充分熔化形成熔滴，稳定的过渡到熔池，此时熔池波动幅度较小，激光覆盖的热源面积较小。当光斑直径为1mm、1.5mm时，激光束对焊丝的熔化情况相似，激光束在对焊丝加热至熔化的同时，将大部分能量传递到熔池内部，用来获得较大熔深及熔宽，此时熔滴过渡形式主要为液桥过渡。随着光斑直径的进一步增加，在光斑直径为2mm时，焊丝前端熔化出现部分未熔，随焊丝的运动进入熔池，此时的熔滴过渡形式为铺展过渡，此时光源给熔池加热的面积进一步增大，熔滴过渡形式偏向于铺展过渡且熔池熔化范围变大，且熔池波动幅度明显增大。从高速摄影图像可以看出，在摆动频率不变的情况下，小光斑直径焊接时，在熔滴进入熔池之前完全熔化并以桥过渡形式进入熔池，以较大摆动幅度进行焊接时，随着光斑摆动直径的增大，激光不仅仅作用于焊丝，同样作用于熔池，在熔滴未完全形成时，熔滴夹杂未熔焊丝一同并入熔池中。
75.当光斑直径较小时，激光能量较为集中，激光能量主要集中于焊丝前端，焊丝熔滴直接并入熔池，激光更好的深入熔池，在焊接过程中获得较大熔深，这种焊丝熔化行为阻碍了内部气孔的逸出，在焊层之间出现较小气孔。随着摆动振幅的增大，单位时间内，单位面积受热时间减小，激光首先作用于焊丝，部分激光打入熔池，此时熔池深度相应变浅，随着光斑直径的进一步增加，这种效应越明显。在窄间隙激光填丝焊接时光斑直径的变化应适用于坡口宽度的变化，在焊接过程中，随着焊接高度的增加，焊接坡口宽度会随之增加，光斑直径应在随之增加。且从图8焊道俯视图可以看出，当摆动振幅为0.5mm，熔化宽度较窄，在盖面焊接时易出现咬边飞溅等缺陷。摆动振幅为1mm、1.5mm、2mm时，焊道成形质量较好，无明显缺陷，适宜焊接。
76.图9采用高速摄影机对坡口填丝状态下焊接功率对熔池运动状态及焊丝熔化状态影响进行拍摄。图9中上半部分为在坡口内焊接熔池运动状态下拍摄的示意图，下半部分为下半部分焊接完成后焊接部截面图。从图9的上半部分可以看出焊接功率较小时，焊丝在进入熔池之前未完全熔化，焊丝主要依靠激光及熔池的热量进行熔化。当焊接热输入量为3.6kj/cm时，从高速摄影中可以看出焊丝前端形成尺寸较小熔滴，在靠近熔池时，熔滴被熔池靠表面张力吸附进入其中，在此过程中，熔池有波动较小。随着激光能量的进一步提升，在熔池斜上方可明显观察到焊丝前端被激光熔化生成熔滴，当激光功率为3.92kw时，焊丝已完全在熔池的上方进行熔化，此时熔滴是在重力的作用下进入熔池，熔池会产生较大的波动，在进入熔池时产生较大飞溅，且由此时焊接热输入(3.92kj/cm)较大，超过在此种送丝速度及焊接速度下焊丝熔化热量需求。在3.8kw的的焊接功率下，完全满足焊丝熔化需求，且焊接过程中无较大飞溅。可以看出，功率较小时，熔滴的过渡形式为铺展过渡，随着功率的提升，熔滴过渡形式由液桥过渡转为颗粒过渡。
77.当功率值较小时，焊道面积较小，且焊接后，焊缝容易形成小的凸起不利于下道填
丝焊接，极易造成焊接缺陷，凸起过高时，焊丝在未熔的情况下容易下探到底部，造成焊接失稳。随着功率的增大，焊道截面积增大明显，这是由于功率较大的情况下，熔池可获得更大的熔深和熔宽。由图可以看出，焊缝的熔深和熔宽随着焊接功率的增加呈线性增长，且功率对熔宽影响较大，说明当功率加载到一定程度时，焊道变化主要体现在熔化宽度方面。当功率较大时，焊接后形成的焊道逐渐平缓，在其它参数不变的情况下，增加功率，也有改善焊道形貌的作用，但由于焊接热输入较大，在焊缝中部出现焊接热裂纹。可见，在焊接热输入为3.92kj/cm时，容易造成焊道内部缺陷。从图的焊缝成形系数可以看出，在焊接功率增加的条件下，焊缝成形系数呈先减后增的趋势。综上所述，当焊接功率为3.8kw时可获得成形质量较好的焊道。
78.图10上半部分为在坡口内焊接熔池运动状态下拍摄的示意图，下半部分为下半部分焊接完成后焊接部截面图。从图中可以看出焊接速度较小时，由于在单位长度下，焊丝送进的体积随焊速的增加而渐小，焊接热输入由4.89kj/cm减小到3.42kj/cm，焊接热输入跨度较大。当焊接速度较小，焊丝大部分在靠近熔池开始熔化，熔滴过渡形式为铺展过渡，此时由于焊丝在未完全熔化状态下进入熔池，焊接熔池波动较大，随着焊接速度的进一步提高，焊丝逐渐远离熔池的位置进行熔化，在熔滴进入熔池时，其过渡形式为液桥过渡，当焊接速度为0.48、0.54m/min时，熔池运动较为平稳。随着焊接速度的进一步提升，焊丝在熔化完全前，底部熔池所需要填充的液态焊丝金属较不完全，既焊接速度大于焊缝填充所需送丝速度，此时熔池运动状态不稳定，且有向焊缝一侧偏焊的趋势，此时熔滴过渡形式为颗粒过渡。
79.从图中可以看出，焊速在0.42m/min～0.6m/min内，焊接质量较好，焊接后，在截面上未产生层间未熔及侧壁未熔等缺陷，随着焊接速度的增加，填丝焊接层高有减小的趋势，熔深由3.97mm减小到2.9mm，焊接熔宽变化区间较小，由3.87mm减小到3.51mm，熔化宽度完全满足此时焊接需求，但随着焊道的增加，此时的熔宽不足以使侧壁熔合，在实际焊接过程中需要考虑坡口宽度的变化，且当焊接速度较小时，焊接层堆叠高度较大，在焊缝表面形成较大的凸起，这种形式不利于下道填丝焊接，随着焊速的增加，凸起的部分逐渐减小。从图可以看出，随着焊接速度的增加，焊接熔深、熔宽呈线性减小的趋势，此时焊接速度对熔深和熔宽的影响是近似的。随着焊接速度的增加，焊缝成形系数变大，在多层填丝焊接过程中，焊接速度增大，会导致堆焊高度的减小，每层堆高约为3～4mm，随着焊接层数的增加，坡口面宽度也随之增加，采用相同焊接参数再次焊接时，每层焊道实际堆叠高度会有所减小，此时应适当调节送丝速度，以满足焊接要求。
80.图11上半部分为在坡口内焊接熔池运动状态下拍摄的示意图，下半部分为下半部分焊接完成后焊接部截面图。图中坡口内焊接熔池运动状态下拍摄的示意图，与更改焊接速度的效果相相反。在单位长度下，焊丝送进的体积随送丝速度的增加而增加，焊接热输入维持在一定值，此时对焊丝前端的熔化有一定影响，单位体积内的焊丝热量增加，随着送丝速度的增加而减小，这对于焊丝的熔化有一定影响。由图可看出，当送丝速度较小，焊丝大部分在远离熔池开始熔化，随着焊丝的向熔池内部运动，熔滴过渡形式液桥过渡，此时由于焊接熔池波动性较小，随着送丝速度的进一步提高，焊丝在进入熔池前无法充分形成熔滴过渡焊丝，此时的熔滴过渡形式逐渐由液桥过渡形式转变为铺展过渡，且熔池受未熔化焊丝影响呈不连续波动，焊接过程失稳较严重，可由此判断出，激光束所产生的能量不足以支
撑较大送丝速度。
81.从图11中可以看出，当焊丝送进速度较小时，容易产生侧壁未熔合缺陷，由于填充量较小，焊缝金属熔池无法充分对侧壁进行熔化，造成该缺陷，且在焊接过后，焊道中部产生较高凸起，不利于下道填丝焊接。焊接后焊道形貌逐渐呈u字形，由于填丝速度较小所产生的凸起也逐渐减小。随着焊丝填充量在单位长度内增加，焊道面积扩大，但当焊接送丝速度达到5.0m/min时，焊道中心部位产生裂纹，此时由于焊丝堆叠体积较大，造成焊接缺陷。在4.6m/min～4.8m/min内，焊接质量较好，焊接后截面上未产生层间未熔及侧壁未熔等缺陷，随着送丝速度的增加，填丝焊接层高有逐渐增大的趋势，熔深由3.10mm增大到3.5mm，焊接熔宽变化区间同样由3.44mm增加到3.75mm。此时的熔深、熔宽完全满足此时焊接需求，随着焊接层数的增加，坡口宽度增大，适当增加焊接速度已满足焊道填充要求。从图可以看出，随着送丝速度的增加，焊接熔深、熔宽呈线性增大的趋势，此时送丝速度对熔深和熔宽的影响是近似的，在此同时焊缝成形系数呈下降趋势，说明送丝速度的增加会导致焊缝成形系数下降，总体来说对焊缝成形质量影响较大，综上所述，当其它焊接参数不变的情况下，送丝速度在4.6～4.8m/min之间焊缝填充效果较好，在单道多层焊接过程中，需要考虑焊接坡口对焊丝填充量的需求。
82.在图5至11中，t为时间，t0为任意时间，ms为微秒，
83.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，其特征在于包括以下步骤：s1.实时采集焊接时熔池运动状态、焊丝熔化状态及熔滴过渡的画面；采集时，采集设备与激光束、焊丝端保持相对静止状态，待焊接工件旋转运动；s2.对采集到的图像进行预处理；s3.通过图像处理算法对熔滴的边缘轮廓形貌进行识别；s4.截取经过s3识别后的图片进行处理得到焊道送丝端截面简化图；s5.测量s4简化图中焊丝距离焊道两侧距离、焊丝距工件待焊位置的距离、熔池与侧壁之间的夹角、激光光源与焊丝的相对位置；s6.根据s5测得的数据调整焊接参数。2.根据权利要求1所述的采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，其特征在于：采集图像时，使用激光光源作为背光。3.根据权利要求1或2所述的采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，其特征在于所述s2的过程为：s21.利用加权平均法，对图像的r、g、b三个通道的分量以不同的权值进行加权平均，得到较合理的灰度图像：l＝r*299/1000+g*587/1000+b*114/1000；s22.对灰度图像进行图像几何变换；s23.采用频率域法或空间域法对s22处理后的图像进行增强。4.根据权利要求3所述的采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，其特征在于所述s3的过程为：将预处理后的图片输入到cnn网络后，通过多个卷积池化操作，提取图片的特征，再将图片特征送入全连接层网络完成图像的分类识别。5.根据权利要求3所述的采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，其特征在于所述s4的过程为：s41.将图片传输到识别系统进行图片的灰度处理；s42.对灰度处理的图片进行二值转化；s43.在处理后的图片上寻并绘制轮廓。

技术总结

本发明公开了一种采用高速摄影监控识别环形窄间隙激光填丝焊接的方法，属于激光焊接技术领域。实时采集焊接时熔池运动状态、焊丝熔化状态及熔滴过渡的画面；采集时，采集设备与激光束、焊丝端保持相对静止状态，待焊接工件旋转运动；对采集到的图像进行预处理；通过图像处理算法对熔滴的边缘轮廓形貌进行识别；截取经过识别后的图片进行处理得到焊道送丝端截面简化图；测量简化图中焊丝距离焊道两侧距离、焊丝距工件待焊位置的距离、熔池与侧壁之间的夹角、激光光源与焊丝的相对位置；根据测得的数据调整焊接参数。通过高速摄影拍摄采集处理后，对各焊接工艺参数的设定范围内定性的判断熔滴过渡形式以及转变，判断熔池运动状态对焊缝的影响，进而动态地调整焊接参数，以保证焊接接头质量和焊接效率。保证焊接接头质量和焊接效率。保证焊接接头质量和焊接效率。