弧焊电极端部电流密度分布的检测方法及系统与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法及系统。


背景技术：

2.钨极氩弧焊是一种重要的焊接工艺，在工业生产中有着广泛地应用。在焊接过程中，电流密度是极其重要的参数之一，尤其是钨极表面的电流密度分布与焊接过程中的热输入分布联系密切，得到钨极端部的电流密度分布数据对于减少焊接缺陷、优化焊接工艺具有重要的参考意义。
3.目前常用的钨极端部电流密度分布检测方法主要包括分裂阳极法、烧蚀痕迹分析法、高速摄影法、探针法等，但上述方式都存在各自的缺陷，要么计算量较大、要么操作步骤繁琐，因此，亟需一种简单快捷的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法来解决相关技术中存在的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，用以解决现有技术中钨极端部电流密度分布检测的操作步骤繁琐的技术问题，实现实时测量、操作简单且结果较为准确。
5.本发明还提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测系统。
6.本发明提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，包括如下步骤：
7.获取焊接过程中电极端部区域的图像信息；
8.基于所述图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据；
9.建立灰度值和电流密度的函数关系；
10.基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。
11.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述获取焊接过程中电极端部区域的图像信息的步骤，包括：
12.利用电荷耦合器件摄像机实时采集焊接过程中电极端部区域的图像信息。
13.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述建立灰度值和电流密度的函数关系的步骤，包括：
14.获取电荷耦合器件摄像机中光敏单元的光注入电荷数与入射光的光子流速以及灰度值之间的第一函数关系，获取入射光的光子流速与辐射能的第二函数关系，获取辐射能与温度的第三函数关系，基于所述第一函数关系、所述第二函数关系和所述第三函数关系，获得灰度值与温度的函数关系。
15.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述建立灰度值和电流密度的函数关系的步骤，还包括：
16.获取电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系，基于所述灰度值与温度的函数关系，获得灰度值和电流密度的函数关系。
17.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，包括：
18.选取灰度图像中电极端部任一个像素点作为标准点，基于所述灰度值与温度的函数关系获取标准点与其余点的物理参数比值关系，并结合电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系，获得标准点与其余点的电流密度比例关系，其中，标准点与其余点的电流密度比例关系与标准点的温度参数相关。
19.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，还包括：
20.网格化所生成的灰度图像，获取焊接电流与单元网格面积的函数关系，基于电极端部的形状获取单元网格面积的表达式，结合所述焊接电流与单元网格面积的函数关系和所述单元网格面积的表达式，获得焊接电流与标准点的温度参数的函数关系，基于所设定的焊接电流的数值，获得标准点的温度参数的数值。
21.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，还包括：
22.基于所获得的标准点的温度参数的数值，并结合所述获得标准点与其余点的电流密度比例关系，获取每一个像素点的电流密度。
23.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述电荷耦合器件摄像机的镜头的前方布置有窄带滤波片和减光片。
24.根据本发明提供的一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，所述窄带滤波片和所述减光片可更换的安装于所述电荷耦合器件摄像机的镜头的前方，其中，所述窄带滤波片设置为至少两个，且至少两个所述窄带滤波片的谱线不同，所述减光片设置为至少两个，且至少两个所述减光片的减光比例不同。
25.本发明还提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测系统，包括：
26.电荷耦合器件摄像机，用于获取焊接过程中电极端部区域的图像信息；
27.灰度图片生成单元，与所述电荷耦合器件摄像机电连接，用于基于所述图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据；
28.函数关系建立单元，与所述灰度图片生成单元电连接，用于建立灰度值和电流密度的函数关系；
29.结果输出单元，与所述函数关系建立单元电连接，用于基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。
30.本发明实施例提供的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，通过获取图像信息并形成灰度图像，建立基于灰度值和电流密度的函数关系后通过各区域的灰度值直接获得电极端部电流密度的分布情况，采用这样的方式在测量的时候可以不与电极相接触，不会对焊接过程产生影响，且基于实时的测量和极快的响应速度，能避免电极烧损而产生误差，
建立了图像灰度值与电流密度的对应关系，得到的结果较为准确。
31.本发明实施例提供的弧焊电极端部电流密度分布的检测系统，通过获取图像信息并形成灰度图像，建立基于灰度值和电流密度的函数关系后通过各区域的灰度值直接获得电极端部电流密度的分布情况，采用这样的方式在测量的时候可以不与电极相接触，不会对焊接过程产生影响，且基于实时的测量和极快的响应速度，能避免电极烧损而产生误差，建立了图像灰度值与电流密度的对应关系，得到的结果较为准确。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明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以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
33.图1是本发明提供的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法的流程示意图；
34.图2是本发明提供的弧焊电极端部电流密度分布的检测系统的结构示意图；
35.图3是本发明提供的钨极端部采集图像的示意图；
36.图4是本发明提供的钨极端部的网格分析图；
37.图5是本发明提供的钨极端部电流密度随半径变化的曲线图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
39.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、
ꢀ“
纵向”、
ꢀ“
横向”、
ꢀ“
上”、
ꢀ“
下”、
ꢀ“
前”、
ꢀ“
后”、
ꢀ“
左”、
ꢀ“
右”、“竖直”、
ꢀ“
水平”、
ꢀ“
顶”、
ꢀ“
底”、
ꢀ“
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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、
ꢀ“
第二”、
ꢀ“
第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。
41.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
43.下面结合图1-图5描述本发明的实施例，本实施例提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，包括如下步骤：
44.s100、获取焊接过程中电极端部区域的图像信息。
45.s200、基于图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据。
46.s300、建立灰度值和电流密度的函数关系。
47.s400、基于电极端部电弧区域的灰度数据与灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。
48.在本实施例中，通过获取图像信息并形成灰度图像，建立基于灰度值和电流密度的函数关系后通过各区域的灰度值直接获得电极端部电流密度的分布情况，采用这样的方式在测量的时候可以不与电极相接触，不会对焊接过程产生影响，且基于实时的测量和极快的响应速度，能避免电极烧损而产生误差，建立了图像灰度值与电流密度的对应关系，得到的结果较为准确。
49.弧焊电极端部电流密度分布的检测方法尤其适用于钨极氩弧焊钨极端部电流密度分布的检测中，基于建立钨极氩弧焊钨极端部电弧灰度值与电流密度分部间的定量关系，获取准确的钨极氩弧焊钨极端部电流密度测量值。
50.将上述检测方法应用于钨极氩弧焊钨极端部电流密度分布的检测中，至少具有以下优点：1、不与钨极直接接触，不会对焊接过程产生影响；2、实时测量、响应速度快、避免因钨极烧损产生误差，且适用于不同的焊接电流的焊接作业中；3、数据量大、设备成本低、操作较为简单、可进行批量处理；4、通过建立图像灰度值与电流密度的对应计算关系，得到的结果较为准确。
51.根据本发明提供的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，获取焊接过程中电极端部区域的图像信息的步骤，包括：
52.利用电荷耦合器件摄像机实时采集焊接过程中电极端部区域的图像信息。
53.电荷耦合器件摄像机(ccd相机，charge coupled device camera)，是一种高速相机，基于高速相机实时采集焊接过程中电极区域的图像，使其响应速度较快，且实现实时检测。
54.在本实施例中，建立灰度值和电流密度的函数关系的步骤，包括：
55.获取电荷耦合器件摄像机中光敏单元的光注入电荷数与入射光的光子流速以及灰度值之间的第一函数关系，获取入射光的光子流速与辐射能的第二函数关系，获取辐射能与温度的第三函数关系，基于第一函数关系、第二函数关系和第三函数关系，获得灰度值与温度的函数关系。
56.具体而言，取电弧稳定时一个无限小时间段与无限小的光敏单元进行分析，其中，无限小时间段可以定义为几毫秒，无限小的光敏单元可以定义为像素点在捕捉区间内的光敏单元均可。此时，光敏单元的光注入电荷数与入射光的光子流速以及灰度值之间的第一
函数关系如下：
57.q＝ηeδn
eo
at＝(y-b)
×g·
e；
58.其中，q为光敏单元的光注入电荷数，η为材料的量子效率，e为电子电荷量，δn
eo
为入射光的光子流速，a为光敏单元的受光面积，t为光注入时间(曝光时间)，y为灰度值，灰度值可以直接生成或直接读出，在式中属于已知量，b为相机偏置值，g为相机增益值。对于确定的同一电荷耦合器件摄像机，η、e和a均为常数，偏置值b、增益值g均相同。在本实施例中，电荷耦合器件摄像机的相机偏置值b＝0.131944，电荷耦合器件摄像机的相机增益值g＝2.06。
59.具体而言，入射光的光子流速与辐射能的第二函数关系如下：
[0060][0061]
θ
eλ
＝qe·
δs；
[0062]
其中，h为普朗克常数，ν为辐射的电磁波的频率，λ为波长，qe为辐射能。
[0063]
具体而言，辐射能与温度的第三函数关系如下：
[0064]
qe＝εσt4；
[0065]
其中，qe为辐射能，ε为物体的表面发射率，是一个常数，σ可以取值为5.67
×
10-5
，其单位为erg
·
cm-2
·
k-4
，t为温度。
[0066]
在本实施例中，建立灰度值和电流密度的函数关系的步骤，还包括：
[0067]
获取电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系，基于灰度值与温度的函数关系，获得灰度值和电流密度的函数关系。
[0068]
具体而言，电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系如下：
[0069][0070]
其中，j为电流密度，c＝60a/(cm2·
k2)，t为温度，k为玻尔兹曼常数＝8.62
×
10-5
ev/k，φ为金属功函数，基于不同的金属选择不同的取值。
[0071]
根据电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系联立灰度值与温度的函数关系，便可获得灰度值和电流密度的函数关系，建立了图像灰度值与电流密度的对应关系，得到的结果较为准确。
[0072]
在本实施例中，基于电极端部电弧区域的灰度数据与灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，包括：
[0073]
选取灰度图像中电极端部任一个像素点作为标准点，基于灰度值与温度的函数关系获取标准点与其余点的物理参数比值关系，并结合电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系，获得标准点与其余点的电流密度比例关系，其中，标准点与其余点的电流密度比例关系与标准点的温度参数相关。
[0074]
将标准点定义为*点，将其余点定义为i点，根据前述的函数关系可得以下的物理参数比值关系：
[0075]
[0076]
标准点与其余点的电流密度比例关系如下：
[0077][0078]
在本实施例中，基于电极端部电弧区域的灰度数据与灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，还包括：
[0079]
网格化所生成的灰度图像，获取焊接电流与单元网格面积的函数关系，基于电极端部的形状获取单元网格面积的表达式，结合焊接电流与单元网格面积的函数关系和单元网格面积的表达式，获得焊接电流与标准点的温度参数的函数关系，基于所设定的焊接电流的数值，获得标准点的温度参数的数值。
[0080]
焊接电流与单元网格面积的函数关系如下：
[0081][0082]
其中，i为焊接电流，基于实际焊接情况会设定不同数值的焊接电流，属于已知数值，m为钨极端部圆周区域横向划分的网格数量，n为钨极端部纵向划分网格数量。
[0083]
如图3和图4所示，基于钨极端部为圆台形，可得单元网格面积的表达式如下：
[0084][0085]
其中，δsi为单元网格面积，ri为单元网格的层级，δli为钨极端部纵向划分网格距离。
[0086]
在本实施例中，基于电极端部电弧区域的灰度数据与灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，还包括：
[0087]
基于所获得的标准点的温度参数的数值，并结合获得标准点与其余点的电流密度比例关系，获取每一个像素点的电流密度。
[0088]
基于获取了标准点的温度参数t
*
的数值，便可通过比例关系快速得出其余各个像素点的电流密度ji，以快速准确的得到每一个像素点的电流密度，得出电极端部电流密度的分布情况。
[0089]
在本实施例中，电荷耦合器件摄像机的镜头的前方布置有窄带滤波片和减光片。其中，窄带滤波片和减光片可更换的安装于电荷耦合器件摄像机的镜头的前方，其中，窄带滤波片设置为至少两个，且至少两个窄带滤波片的谱线不同，减光片设置为至少两个，且至少两个减光片的减光比例不同。
[0090]
通过配置窄带滤波片和减光片可以放置因电弧区域温度过高而产生过曝现象。可更换的窄带滤波片和减光片以便于基于不同的焊接条件对窄带滤波片和减光片进行更换。例如根据不同的焊接电流更换不同谱线的窄带滤波片、根据不同的焊接电流更换不同减光比例的减光片。当然，窄带滤波片还可以采用特定的谱线，以适应特定的焊接条件。
[0091]
另一方面，如图2所示，本发明还提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测系
统，包括电荷耦合器件摄像机、灰度图片生成单元、函数关系建立单元和结果输出单元。其中，电荷耦合器件摄像机用于获取焊接过程中电极端部区域的图像信息。灰度图片生成单元与电荷耦合器件摄像机电连接，用于基于图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据。函数关系建立单元与灰度图片生成单元电连接，用于建立灰度值和电流密度的函数关系。结果输出单元与函数关系建立单元电连接，用于基于电极端部电弧区域的灰度数据与函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。
[0092]
在本实施例中，通过获取图像信息并形成灰度图像，建立基于灰度值和电流密度的函数关系后通过各区域的灰度值直接获得电极端部电流密度的分布情况，采用这样的方式在测量的时候可以不与电极相接触，不会对焊接过程产生影响，且基于实时的测量和极快的响应速度，能避免电极烧损而产生误差，建立了图像灰度值与电流密度的对应关系，得到的结果较为准确。
[0093]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：获取焊接过程中电极端部区域的图像信息；基于所述图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据；建立灰度值和电流密度的函数关系；基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。2.根据权利要求1所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述获取焊接过程中电极端部区域的图像信息的步骤，包括：利用电荷耦合器件摄像机实时采集焊接过程中电极端部区域的图像信息。3.根据权利要求2所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述建立灰度值和电流密度的函数关系的步骤，包括：获取电荷耦合器件摄像机中光敏单元的光注入电荷数与入射光的光子流速以及灰度值之间的第一函数关系，获取入射光的光子流速与辐射能的第二函数关系，获取辐射能与温度的第三函数关系，基于所述第一函数关系、所述第二函数关系和所述第三函数关系，获得灰度值与温度的函数关系。4.根据权利要求3所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述建立灰度值和电流密度的函数关系的步骤，还包括：获取电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系，基于所述灰度值与温度的函数关系，获得灰度值和电流密度的函数关系。5.根据权利要求4所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，包括：选取灰度图像中电极端部任一个像素点作为标准点，基于所述灰度值与温度的函数关系获取标准点与其余点的物理参数比值关系，并结合电极端部发射电流密度与温度之间的函数关系，获得标准点与其余点的电流密度比例关系，其中，标准点与其余点的电流密度比例关系与标准点的温度参数相关。6.根据权利要求5所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，还包括：网格化所生成的灰度图像，获取焊接电流与单元网格面积的函数关系，基于电极端部的形状获取单元网格面积的表达式，结合所述焊接电流与单元网格面积的函数关系和所述单元网格面积的表达式，获得焊接电流与标准点的温度参数的函数关系，基于所设定的焊接电流的数值，获得标准点的温度参数的数值。7.根据权利要求6所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况的步骤，还包括：基于所获得的标准点的温度参数的数值，并结合所述获得标准点与其余点的电流密度比例关系，获取每一个像素点的电流密度。8.根据权利要求2-7中任一项所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征
在于，所述电荷耦合器件摄像机的镜头的前方布置有窄带滤波片和减光片。9.根据权利要求8所述的弧焊电极端部电流密度分布的检测方法，其特征在于，所述窄带滤波片和所述减光片可更换的安装于所述电荷耦合器件摄像机的镜头的前方，其中，所述窄带滤波片设置为至少两个，且至少两个所述窄带滤波片的谱线不同，所述减光片设置为至少两个，且至少两个所述减光片的减光比例不同。10.一种弧焊电极端部电流密度分布的检测系统，其特征在于，包括：电荷耦合器件摄像机，用于获取焊接过程中电极端部区域的图像信息；灰度图片生成单元，与所述电荷耦合器件摄像机电连接，用于基于所述图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据；函数关系建立单元，与所述灰度图片生成单元电连接，用于建立灰度值和电流密度的函数关系；结果输出单元，与所述函数关系建立单元电连接，用于基于所述电极端部电弧区域的灰度数据与所述函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。

技术总结
本发明涉及焊接技术领域，提供一种弧焊电极端部电流密度分布的检测方法及系统，该检测方法包括如下步骤：获取焊接过程中电极端部区域的图像信息。基于图像信息生成灰度图像，并获取电极端部电弧区域的灰度数据。建立灰度值和电流密度的函数关系。基于电极端部电弧区域的灰度数据与灰度值和电流密度的函数关系，获得电极端部电流密度的分布情况。在测量的时候可以不与电极相接触，不会对焊接过程产生影响，且基于实时的测量和极快的响应速度，能避免电极烧损而产生误差，建立了图像灰度值与电流密度的对应关系，得到的结果较为准确。得到的结果较为准确。得到的结果较为准确。


技术研发人员：武永寿 韩晓辉 李刚卿 曹金山 刘子靖
受保护的技术使用者：中车青岛四方机车车辆股份有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/10/8