Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Видеосъемка сварочных процессов. Сложности и специфика наблюдения

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Видеосъемка сварочных процессовСложности и специфика наблюдения

Дуговая сварка – наиболее экономичный и эффективный технологический процесс создания неразъемного соединения металлических деталей. В развитых странах более половины ВВП так или иначе связано с использованием сварки. Большое развитие в последнее время получают системы видеонаблюдения за сварочным процессом
Роман Перковский
Генеральный директор ЗАО "Лаборатория Электроники", к.т.н.

Сварка считается одним из важнейших процессов в производстве, которому уделяется большое внимание во всем мире и в России. Основное направление развития сварочных технологий сегодня – это автоматизация производства с целью снижению трудоемкости, повышения качества и производительности. В связи с этим видеонаблюдение сварочного процесса становится все более актуально.

Специфика сварочных работ

Процесс дуговой сварки обладает рядом особенностей, которые отличают его от других технологических процессов:

  • сильное влияние на процесс сварки множества возмущений, которые крайне трудно или невозможно проконтролировать и учесть (геометрия собранного для сварки изделия, химический состав изделия, состав и расход защитного газа, изменение тока и напряжения на дуге, изменение расположения электрода относительно линии стыка, изменение геометрии электрода, параметры окружающей среды и др.);
  • сильное оптическое излучение из зоны сварки в широком диапазоне длин волн – от жесткого ультрафиолета, вызывающего помутнение оптики, до дальнего ИК, нагревающего все вокруг до высоких температур;
  • большой уровень электромагнитных помех, воздаваемых постоянным, пульсирующим или переменным сварочным током в сотни ампер и напряжением до 15 кВ для поджига дуги;
  • тяжелые условия работы (работа на улице при температуре от -40 °С, дым и пары различных веществ, брызги расплавленного металла, абразивная пыль от дисков "болгарок", чистящих швы);
  • отсутствие математических моделей, адекватно и полно описывающих процесс сварки.

Все эти факторы делают процесс сварки очень сложным для автоматизации.

Технологии и опыт: эффективное сочетание

Безусловно, создаются различные автоматические системы, позволяющие компенсировать максимальное число возмущений, но такие системы крайне дороги и ненадежны. Значительные успехи достигнуты при сварке однотипных изделий в условиях цеха. Со времен изобретения процесса сварки русскими изобретателями Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым 1890-х гг. и до сегодняшних дней в подавляющем числе случаев только человек с большим опытом в состоянии контролировать процесс сварки и воздействовать на него для компенсации всех возмущений с целью получения качественного шва. Не случайно даже растиражированный на весь мир первый стык газопровода "Сила Сибири" был сварен двумя сварщиками без применения каких-либо автоматических систем.

Таким образом, без сварщика, без его опыта, глаз, ушей и рук до сих пор не обойтись. Наиболее просто заменить руки. Сегодня доля ручной сварки электродами постепенно сокращается. Появляются все новые и новые средства механизации и автоматизации, позволяющие перемещать электрод. Это значительно упрощает труд сварщика, повышает производительность и качество труда. Однако попытки заменить опытного сварщика на программу пока приносят неутешительные результаты. Все равно сварщик должен быть около дуги, пусть и с пультом дистанционного управления, в автоматически затемняющейся маске, но он должен видеть и слышать дугу. Благодаря своему опыту он меняет ток и скорость сварки, корректирует положение электрода и присадочной проволоки, заранее знает, что сварка будет качественной или что сварить качественный шов в существующих условиях невозможно.

В такой ситуации системы видеонаблюдения за процессом сварки имеют крайне важное значение.

Поиск оптимального решения

Именно благодаря видеонаблюдению можно кардинально изменить труд сварщика, улучшить условия его труда, повысить производительность, но с точки зрения видеонаблюдения процесс сварки представляет собой крайне сложный объект. Описанные выше проблемы предполагают, что камеры для наблюдения за сваркой должны быть герметичными, иметь легко сменяемые защитные стекла и обладать максимальной защитой от воздействия электромагнитных помех. Кроме уже описанных проблем есть еще одна – широчайший динамический диапазон изображения зоны сварки, достигающий шести порядков между очень яркой дугой и темной поверхностью металла на некотором расстоянии от места сварки.

В результате для видеонаблюдения за сваркой невозможно применить стандартную систему промышленного зрения. Даже применение технологии HDR, программно совмещающей несколько снимков с разными экспозициями, не дает никакого результата: или видно большое яркое пятно от дуги и немного металла вокруг зоны сварки, или не видно ничего, кроме дуги.

Способы видеонаблюдения за сваркой

Для решения задачи видеонаблюдения за процессом сварки используют два способа:

  1. пассивная спектральная фильтрация;
  2. активная подсветка.

Метод пассивного видеонаблюдения

При построении систем пассивного видеонаблюдения используют излучение от расплавленного металла сварочной ванны и паров металла над ее поверхностью. Присутствующее в общем спектре излучение от столба дуги следует рассматривать как источник подсвета и одновременно как помеху. Собственный спектр излучения столба дуги и его рефлекторного отражения от поверхности сварочной ванны, состоящий из атомов и молекул ионизированного защитного газа, преимущественно имеет неметаллическое происхождение. На спектральной характеристике он занимает ультрафиолетовую, красную и ближнюю инфракрасную зоны.

Излучение от сварочной ванны носит металлический характер (свечение линий Fe, Hr, Mo, Ma и др.) и проявляется в широком диапазоне спектральных частот. Для повышения величины соотношения интенсивности излучения ванны и дуги, обеспечивающего получение контрастных границ контура сварочной ванны, используют интерференционные фильтры со степенью монохроматизма 10– 20 Å. Длина волны фильтра выбирается на участках спектра, где имеется значительное ослабление излучения от дуги и где расположен максимум излучения от сварочной ванны и паров металла у ее поверхности. На рис.1, показан спектр излучения от сварочной дуги (1), сварочной ванны (2) и спектральная чувствительность камеры (3).


На основе анализа семейства графиков для рассматриваемого варианта технологии сварки можно выбрать рабочую длину волны интерференционного светофильтра с максимальным ослаблением излучения от дуги и максимальным пропусканием излучения сварочной ванны. Для рассматриваемого случая наибольшее соотношение сигнала от ванны и дуги наблюдается при длине волны фильтра около 830 нм (4). Вид изображения от видеокамеры показан на рис. 2.


Использование активной подсветки

Активные системы видеонаблюдения, кроме узкополосных монохроматических фильтров, имеют еще дополнительную лазерную подсветку на длине волны пропускания светофильтров. Наилучшие результаты удается получить, если дуга расположена между подсветкой и камерой наблюдения. В этом случае при использовании полупроводникового лазера мощностью 1–5 Вт можно получить изображение электрода и свариваемого металла, полностью отфильтровав дугу. Конечно, такое изображение будет практически теневым и черно-белым, но благодаря таким установкам сварщик получает ту информацию, которая ранее для него была недоступной. А при использовании высокоскоростных камер, делающих несколько тысяч кадров в секунду, появилась возможность изучать процесс переноса металла от плавящегося электрода в сварочную ванну. Видео от камеры с частотой кадров 2 кГц показано на рис. 3.


На кадрах запечатлен момент образования одной капли расплавленного металла, образующей брызги при сварке.

Перспективное развитие

В ближайшем будущем можно ожидать значительного расширения рынка видеокамер для наблюдения за процессом сварки, в первую очередь, благодаря появлению новых камер с расширенным динамическим диапазоном и снижению стоимости оборудования. Широкое развитие лазерной техники позволяет предполагать, что наибольшее развитие получат системы с активной подсветкой. Сегодня видеокамеры широко применяются практически во всех областях науки и техники, а процесс сварки плавлением едва ли не последний, где еще есть широкие возможности к расширению области применения.

Выводы

  1. Использование видеонаблюдения за процессом сварки дает возможность значительно повысить качество и производительность.
  2. Видеонаблюдение за процессом сварки осложняет сильный контраст изображения между яркой дугой и темным изделием.
  3. Для наблюдения за зоной сварки можно использовать интерференционные светофильтры, выделяющие области спектра с наименьшим контрастом изображения.
  4. Использование мощной лазерной подсветки и узкополосных светофильтров позволяет почти полностью исключить излучение от дуги и обеспечить комфортное наблюдение за процессом.
  5. В ближайшие годы можно ожидать значительное расширение рынка видеокамер для наблюдения за процессом сварки.

Опубликовано: Спец.приложение "Video & Vision"-2014
Посещений: 7933

  Автор

Роман Перковский

Роман Перковский

Генеральный директор ЗАО "Лаборатория Электроники", к.т.н.

Всего статей:  1

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций