熔池表面形貌三维传感及其装置设计
第44卷第10朔 机械 工 程 学 报 V01．44 No．10
2008年10月 CHNESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Oct． 2 0 0 8
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DoI：10．3901／JME．2008．10．300
非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌
三维传感及其装置设计
王志江1 张广军1 张裕明1，2吴林1
(1．哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室哈尔滨 150001；
2．肯塔基大学生产制造中心和电气工程学院列克星敦肯塔基州40506美国)
摘要：熔池表面形貌的传感及其三维恢复在焊接机理研究和成形控制中均有着深远的意义，然而焊接过程中强弧光的干扰和
熔池表面的镜面特性使得熔池表面的三维传感非常困难。利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔化极气体保护焊
(Gas tungsten arc welding，GTAW)熔池表面，由成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹，利用镜头前附加了与激光器波
长匹配的窄带滤光片的电荷耦合器件(Charge-coupled device，CCD)摄像机观察成像屏上的条纹变化，从而获得熔池表面的高
度等三维信息。为了便于研究传感规律及确定传感器结构参数间的最佳组合，设计了一套传感装置，并利用该传感装置在强
弧光下获得了清晰的能够反映GTAW熔池表面形貌的激光反射条纹图像。
关键词：三维传感三维恢复激光反射条纹图像熔池非熔化极气体保护焊
中图分类号：TG444
3D Sensing of Gas Tungsten Arc Weld Pool Surface
and Sensing Device Design
WANG Zhijian91 ZHANG Guangjunl ZHANG Yumin91-2 WU Linl
(1．National Key Laboratory ofAdvanced Welding Production Technology,
Harbin Institute ofTechnology,Harbin 1 5000 1；
2．Center for Manufacturing and Department of Electrical and Computer Engineering，
University ofKentucky,Lexington，KY 40506，USA)
Abstract：3-D sensing and recovery of weld pool surface take an important part in welding mechanism research and weld profile
contr01．However，the interference ofbright arc and the specular characteristics ofthe weld pool surface make the 3-D sensing ofweld
pool surface difficult．A low-power structured light stripe laser is used to project laser stripes on the gas tungsten arc(GTA)weld pool
surface，then the reflected laser stripes from the specular weld pool surface are intercepted by all imaging panel。A charge—coupled
device(CCD)ca．mera is used to observe the changes of reflected laser stripes Oil the imaging panel with a band-pass filter which
matches the laser in wavelength，then the 3-D information of weld pool surface，such as the height of weld pool surface，can be
obtaine&Seeking for the sensing regulation and the optimal combination of the sensing structure parameters，a sensing is designed．
By using the sensing device，clear images ofreflected laser stripes capable ofreflecting the GTA weld pool surface are obtained in the
presence ofbright arc．
Key words：3-D sensing 3-D recovery Image ofreflected laser stripes Weld pool Gas tungsten arc welding
0前言
在焊接过程中，熔池表面形貌承载着丰富的信
息，能够反映焊接过程的稳定性、焊接熔透状态等
20071 103收到初稿，20080527收到修改稿
情况，因此熔池表面形貌的传感及其三维恢复有着
深远的意义。然而，由于焊接过程的特殊性，这一
方面的研究不是很多。焊接熔池是一在电弧热作用
下形成的熔融金属团，其表面近乎镜面，且缺乏纹
理，这使其表面的三维形貌恢复非常困难ln。另外，
焊接时强烈弧光的干扰也是熔池传感中非常严重的
万方数据
2008年10月 王志江等：非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计 301
困难之一【21。如何克服熔池表面镜面特性及弧光所
带来的困难、传感熔池表面信息并恢复熔池三维形
貌，成为了亟待解决的问题。
目前，常见的三维物体恢复方法有双目立体视
觉方法‘3川、阴影恢复方法‘3，5石】和结构光法M等。但
是这些三维物体恢复方法主要是针对漫反射表面的
物体，它们在熔池(或表面呈镜面特性的物体)的表
面形貌恢复中都遇到了问题。双目立体视觉方法中，
如果物体表面呈现镜面特性，图像上容易出现高光
区域，在焊接电弧存在的情况下，高光几乎是不可
避免的，使其三维恢复结果中出现了表面“空洞”；
并且熔池表面缺乏纹理，使得双目立体视觉的立体
匹配非常困难甚至无法进行。阴影恢复方法是表面
反射均匀的漫反射体(符合朗伯漫反射模型)，在理
想的成像条件下(光源和摄像机无穷远)，对反射图
方程的逆求解过程，由图像灰度计算出物体的表面
方向。然而熔池是在电弧的强光笼罩之下，其表面
呈现镜面特性；并且用于传感熔池表面的摄像机也
非无限远，为小孔成像，成像几何为透射投影。这
些因素使得阴影恢复方法在熔池表面形貌三维恢复
中模型不再可靠。结构光法则由于镜面反射，在成
像方位确定上遇到了不小的麻烦；同时由于电弧弧
光的存在，光源的选择也是至关重要的问趔7。引。
本文在结构光法基础上，利用熔池表面镜面反
射特性，采用滤光等技术消除弧光干扰，对非熔化
极气体保护焊(Gas tungsten arc welding，GTAW)熔
池表面形貌进行了三维传感。首先对这种G吖州熔
池表面形貌三维传感方法的基本原理进行阐述；然
后根据其基本原理设计了一套传感装置；并利用该传
感装置进行了GTAW熔池表面形貌的三维传感试验。
1 GTAW熔池表面形貌三维传感原理
本文中采用的GTAW熔池表面形貌三维传感
方法原理如图l所示，系统由结构光条纹激光器(波
长685 m，功率24 mW)，成像屏f由一平板玻璃上
附贴一张白纸组成)，滤光片(中心波长685衄，半
宽10 nm)，电荷耦合器件(Charge—Coupled Device，
CCD)摄像机(或高速摄像系统)，图像采集卡，计算
机以及GTAW焊接系统。小功率结构光条纹激光器
投射激光条纹于熔池表面，并覆盖整个熔池，利用
熔池表面和工件表面反射特性上的差异，由成像屏
接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹，而经由工
件表面漫反射到成像屏的光可以忽略不计，然后利
用镜头前附加了与激光器波长匹配的窄带滤光片的
普通CCD摄像机(或高速摄像系统)观察成像屏上的
条纹变化，从而获得熔池表面的高度等三维信息，
并存储于计算机中。
图l GTAW熔池表面形貌三维传感原理图
本文中系统利用了熔池表面的镜面特性，改结
构光法恢复物体形状中的光源投射模型为光源反射
模型【lj，使其成像于一有一定透过率的成像屏之上。
成像屏由一平板玻璃上附贴一张白纸组成，既保证
成像屏有一定的透过率，便于CCD摄像机从反面
观察激光反射条纹，同时白纸的漫反射表面改变了
激光的传播方向，变镜面反射为漫反射，使CCD
摄像机的观察角度更加灵活，克服了传统结构光法
在镜面反射物体恢复中取像方位不易确定的缺点。
焊接过程中熔池是动态的，变化较快，因此对
熔池传感需是实时的。文献【7】中采用脉冲频闪激光
器，激光脉冲功率可达50 kw，而平均功率为7 mW，
在一个脉冲周期内激光脉冲持续时间为3璐。激光
器峰值功率与平均功率之间的差异，造成激光脉冲
的周期较长，不利于熔池的实时传感。此外激光脉
冲持续时间极短，获取信号时间也极短，需要精密
的配套设备对信号进行捕捉，使得系统造价昂贵。
本文采用小功率直流激光器作为照明光源，其功率
仅为24 mW，信息获取的时间限制大大减低，有利
于熔池的实时传感。并且由于激光器功率很小，激
光器的造价大大降低。
激光器功率的降低，带来了激光强度的问题。现
有采用主动光源进行熔池传感克服弧光干扰的主要
方法是在摄像机曝光期间利用照明光源的高强度，使
其强度远远大于弧光强度而有效抑制弧光干扰【7J，从
而获得清晰的熔池图像。本文借鉴被动视觉传感熔
池信息中常采用的滤光技术[9-12]，来解决激光器功
率降低所带来的问题。激光器波长及窄带滤光片的中
心波长等参数选择需综合考虑弧光的光谱分布情况。
利用光谱分析仪测定了GTAW电弧弧光在
200"1 000 nm区间的光谱分布，如图2所示。从
图2可以看出GTAW弧光光谱分布特征是在连续的
背景谱上叠加一些离散的特征谱线，而在500""
690 nm区域，弧光的特征谱线较少，基本为强度较
弱的连续谱，为较理想的取像窗口。
万方数据
机械工程学报 第44卷第10期
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200 300 400 500 600 700 800 900 l 000
波长2／nm
图2 GTAW电弧光谱分布(150 A，3 mm)
本文中GTAW熔池表面形貌三维传感系统选
用波长为685 nm的直流激光器，相应的选用与激
光器相匹配的中一tl,波长为685 nm，半宽为10 nm窄
带滤光片。这样有效地阻止了弧光的线光谱波段通
过，只通过激光器发射的激光以及弧光强度较弱的
685 nnl附近连续光谱波段的光，减小强弧光的干
扰，以获得清晰的激光反射条纹图像。
2 GTAW熔池表面形貌三维传感装置
设计
本文中GTAW熔池表面形貌j维传感系统利
用熔池表面的镜面反射特性，传感系统各元件间的
相对位置关系将影响成像质量。图3定义了影响成
像质量的传感器结构参数，包括激光器距离熔池的
远近犯)，激光器与工件间的夹角(∽，成像屏与熔池
问的距离(D)等。
图3影响成像质量的传感器结构参数定义
该传感装置设计需考虑：激光器、成像屏、CCD
摄像机等的装夹；为确定各元件间较理想的相对位
置关系及研究传感规律，传感装置需能够同时调节
激光器距离熔池的远近∞)，激光器与工件间的夹角
(研，成像屏与熔池间的距离(D)等参数。
图4为G吖州熔池表面形貌三维传感装置实物
图，该传感装置可使激光器距离熔池的远近￡在
100"600 mm范围内调节，激光器与工件间的夹角
口在50～600范围内调节，成像屏与熔池间的距离D
在3～12 mlIl范围内调节，满足了GTAW熔池表面
形貌三维传感规律研究的需要。
图4 GTAW熔池表面彤貌三维传感装置实物图
3 GTAW熔池表面形貌传感试验及
结果讨论
试验中采用GTAW焊接方法。焊接材料为低碳
钢，厚2iilln，表面堆焊。焊接电流60A，弧长4nllIl。
不断调整L、口、D值，进行了系列试验。在L-≈200
mlll，tg=300，D=-50 mill的情况下，获得了清晰的
能够反映GTAW熔池表面形貌的激光反射条纹图
像，如图5所示，图5是熔池表面形貌三维传感获
得的不同时刻的激光反射条纹图像。
图5激光反射条纹图像
尽管照明激光是直流的并且相对于电弧功率非
常小，但是在强电弧存在的情况下仍然获得了清晰
的激光反射条纹图像，如图5所示。通过分析本文
中传感系统成像原理，在强电弧存在下能获得清晰
的激光反射条纹图像的主要原因如下：首先是利用
滤光技术，在弧光强度较弱的频段取像减小弧光的
干扰；其次该传感系统利用了照明激光与电弧弧光
之间传播上的差异。图6为激光与弧光传播上的差
异示意图，电弧光强随着离光源(电弧)距离的增加
而迅速衰减，与距离的平方成反比；另一方面，由
于激光的相干性和单向性好，激光传播方向保持不
万方数据
2008年10月 王志江等：非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计 303
变，并且在激光传播过程中，强度或能量损失相对
于电弧来说可以忽略不计。另外，由于熔池表面的
镜面特性，几乎反射了投射在熔池表面的激光条纹
的所有强度，因此，如果把成像屏放置于一合理远
的位置，配合滤光技术，利用CCD摄像机就能在
成像屏上观察到清晰的激光反射条纹图像。
成像屏
工件
电弧
辐射
激光柬
熔池
图6激光与弧光传播上的差异示意图
4结论
(1)应用小功率、直流、结构光条纹激光器，
利用熔池表面镜面反射特性，以及激光与电弧弧光
在传播上的差异，合理设置成像屏的位置，并结合
窄带滤光等技术对GTAW熔池表面形貌进行三维
传感，获得了清晰的能够反映熔池表面形貌的激光
反射条纹图像。
(2)根据该GTAW熔池表面形貌三维传感原
理，设计了一套传感装置，使得￡在100--一600 n'lm，
口在50--．600，D在3～12 mm范围内调节。这套传
感装置使对传感规律的研究及最佳传感参数组合的
确定更加方便。
(3)对传感所得的激光反射条纹图像进行图像
处理，恢复熔池表面三维形貌，并进一步进行GTAW
熔池成形控制是将来的主要工作。
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作者简介：王志江，男，1981年出生，博士研究生。主要研究方向为弧
焊过程传感与控制。
E-maih wangzj2000@eyou．com
万方数据
非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计
作者： 王志江， 张广军， 张裕明， 吴林， WANG Zhijiang， ZHANG Guangjun， ZHANG Yuming
， WU Lin
作者单位： 王志江,张广军,吴林,WANG Zhijiang,ZHANG Guangjun,WU Lin(哈尔滨工业大学现代焊接生
产技术国家重点实验室,哈尔滨,150001)， 张裕明,ZHANG Yuming(哈尔滨工业大学现代焊接
生产技术国家重点实验室,哈尔滨,150001;肯塔基大学生产制造中心和电气工程学院,列克星
敦,肯塔基州,40506,美国)
刊名： 机械工程学报
英文刊名： CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
年，卷(期)： 2008，44(10)
引用次数： 0次
参考文献(12条)
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