如何通过熔池热分析获得更好的 GTAW 焊缝

如果您想知道如何在焊接过程中分析 GTAW 或 TIG 熔池，那么您并不孤单。

几乎每个焊工在某个时候都希望通过测量熔池的大小、形状和位置来进行某种分析，以确定 GTAW 工艺的性能如何。这通常是通过焊接帽通过肉眼完成的，但最近的技术已经能够从热焊热像仪的输出中生成此类数据，该热像仪可以获取焊接过程的热图像。

热焊接相机提供焊接过程整个环境的温度测量信息。热焊摄像机生成的高对比度录制视频作为焊接质量控制过程的一部分具有多种用途。 录制的视频本身可以作为焊接正确完成的证据，并且可以离线查看以进行质量分析和过程审查。使用热焊热像仪可以为焊工提供出色的高对比度视图，了解电极、电弧、母材以及由此产生的熔池（决定焊道质量）的相互作用。

虽然标准焊接相机可以在焊接过程中捕捉到熔池的清晰图像，但热焊接相机提供了更先进的解决方案。通过使用机器视觉软件算法，可以分析相同的视频，以提取测量熔池特性的可量化数据。在这篇文章中，我们将探讨如何通过使用热像仪监测和分析熔池来改善 GTAW 焊缝，以及选择热焊监测设备时应考虑的事项。

与标准热像仪相比，热像仪用于 GTAW 焊缝监控时具有两个主要优势：

（a） 熔池的图像保真度更高，以及

（b） 可用于测量熔池内部和周围关键点温度的热数据。

图 1：SWIR 热像仪 （Xiris） 的 GTAW 熔池清晰视图

使用热像仪和机器视觉优化轨道焊接 

虽然没有什么可以取代实践经验，但焊工学徒可以使用热像仪来记录和显示正确的焊接技术和最佳实践，或比较焊接技术的好坏结果。在几种情况下，使用热像仪查看或记录焊缝对于轨道焊接程序特别有用。它可以在危险环境中进行远程焊接管理，让焊工能够实时查看焊头活动和熔池特性，同时从安全位置监控过程。

熔池本身是任何 GTAW 焊接工艺中需要监测的最重要特征之一。虽然一台好的焊接热像仪可以帮助操作员看到熔池的大部分细节，但热像仪系统可以获得更好的图像保真度，该系统能够在图像中以比冷物体更高的亮度和对比度显示较热的物体。因此，熔池可以更清晰、更锐利地成像，从而更容易将其边界与钨电极、焊弧和焊接环境中的其他元素区分开来。

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这种保真度更高的图像使操作员能够更好地清晰地看到熔池的细节，并更准确地了解焊接过程的健康状况。

更好的图像保真度有助于操作员更好地看到熔池，作为机器视觉算法的输入也很有价值，机器视觉算法可以提取有关熔池的信息，以便做出更好的决策。更精确的图像可以提取更精确的熔池数据，这些数据通常包括大小、形状和位置数据。

机器视觉软件（例如 Xiris 的 WeldStudio 软件提供）可以分析热图像以检测温度异常，监控焊缝形成，并确保一致的焊接质量。这种数据驱动的方法可以改进过程控制、减少缺陷并提高焊接操作的整体效率。

图 2：SWIR 热像仪 （Xiris） 的 GTAW 冷却珠的清晰视图

用于轨道焊接的热焊接相机的基本功能

与轨道焊接相关的极端高温和光线以及某些焊接操作的受限区域需要专门为该作业设计的监控和记录系统。高质量的热焊接视觉系统应具有以下功能：

• 高动态范围 SWIR 成像：最好的热焊相机结合了短波红外成像和高动态范围 （HDR） 成像，前者捕捉最适合热金属的热量范围，后者可以通过更大的温度范围扩展曝光范围，从而最大限度地减少饱和度。结果是热焊热像仪可以为操作员提供良好的细节，以清楚地显示任何焊接熔池问题。
  
• 专为焊接环境设计的相机： 焊接和预热基板产生的极端温度和辐射热要求热焊接相机能够承受恶劣环境。水冷式外壳可以保护热焊热像仪免受焊弧的高温，需要在高达 300°C / 550°F 的温度下保护热像仪。
  
• 校准图像：为了获得最通用的结果，热焊接相机应校准到精确的热源，以便每个像素都可以报告实际温度 2% 以内的温度值。 必须在组装好光学元件的情况下校准相机，以确保在现场使用与校准相同的光学元件。
  
• 优化的光学元件：相机的光学元件应经过优化，专门在 900-1700 nm 的 SWIR 范围内工作，过滤掉特定的光频率，以消除眩光并显示熔池的清晰视图。应提供各种镜头配置和摄像头控制，以提供不同的视野和工作距离，使操作员能够专注于焊接过程的最关键区域。最好的热焊相机还会自动补偿焊接和非焊接模式之间的光强度差异。
  
• 可配置性： 热焊相机系统应适应各种焊头和焊接应用。相对于焊头的适当摄像机角度对于监测熔池质量至关重要。
  
• 记录：热传感器系统应与焊接控制器通信，以简化焊接过程数据的监控和记录。记录日期和时间的系统提供了额外的过程验证方法，以支持质量控制和合规性。一些热焊热像仪（如 Xiris 的 XIR-1800）可以拍摄焊缝快照，并录制完整的原始视频或处理后的视频。

精心设计的热焊监测系统具有多功能性，可适应各种焊接应用。与任何新技术或系统一样，在使用系统进行生产级监控和记录之前，值得花时间设置测试环境。

测试 Thermal Weld Vision 系统 

我将进行一些规划来定位相机，使其与焊头处于最佳对齐状态，以获得熔池的高质量热记录。建议使用许多测试件进行试运行，因为相机的位置、角度和光学元件会进行调整，以捕捉熔池的最佳细节。需要监测的焊接过程因素对熔池的影响将决定热焊接相机的位置和焦点。在微调摄像机布局时，请考虑以下重要的决策因素：

• 摄像机位置：金属池的前缘、后缘或两侧。
• 送丝的位置、类型和进给率会影响最终焊接的质量。
• 割炬对准可以改变焊缝。
• 可能发生的缺陷（咬边、未熔合、孔隙率、烧穿或浸透流动性）。
• 其他因素，如保护气体干扰或材料缺陷，可能导致焊接缺陷。

使用许多测试件将使您了解热像仪的功能，并有助于确定哪种热像仪配置为需要监控的熔池区域提供最佳信息。当建立了记录熔池的最佳方法后，操作员可以将此信息用于各种焊接应用，并从实时监控和记录中受益。

图 3：准备测试热像仪 （Xiris）

学习如何记录熔池的好处 

T以下是使用热焊摄像机设备记录熔池的许多优点。无论操作员的视力如何，专用的热焊摄像头系统都具有提供更清晰的焊接过程图像的技术和功能。摄像头技术使操作员能够专注于影响熔池质量的工艺方面。无论热像仪的目的是记录焊缝以教授或学习新技术，还是监控过程以保证质量保证或操作员安全，焊缝监测设备都可以成为焊工不可或缺的工具，以确保他们所从事的工作的质量和可靠性。

图 4：GTAW 工艺中熔池和炬尖的 HDR 视图 （Xiris）

总结 

气体保护钨极电弧焊（GTAW 或 TIG 焊接）需要在精确、清洁的环境中一丝不苟地关注细节。热焊接相机是超越标准相机的重要工具，可提供熔池的详细图像。它们确保焊接操作的高性能，提高安全性、质量和效率。