这些测试对于了解焊接工艺在太空独特环境中的行为至关重要，其中重力、温度和压力等因素与地球上的因素有很大不同。为了有效地监控这些焊接实验，在真空室内放置了两台先进的 Xiris 相机（一台熔池监控相机和一台红外热像仪XIR-1800）。尽管真空和零重力条件恶劣，但这些相机的性能非常出色，为研究团队提供了宝贵的数据。作为专门设计和制造这些相机的公司，我们为它们在这项关键研究中的表现感到非常自豪。

焊接在太空中的重要性

太空焊接不仅仅是一项技术挑战;它是未来太空探索的必要条件。随着我们开始在地球以外的长期载人任务并探索在月球和火星上定居的可能性，太空焊接的重要性不断增长。太空焊接将能够在轨道上直接组装空间站和月球栖息地等大型结构，从而避免与从地球运输预制组件相关的成本和限制。此外，在太空中焊接的能力对于修复损坏的航天器至关重要;即使是小问题也可能危及任务或使昂贵的卫星无法运行。 在更遥远的将来，利用当地采购的月球或火星材料的焊接技术也可以促进工具和结构的现场生产，减少对地球供应的依赖。在危险的太空环境中，焊接受损部件的能力可以在紧急情况下挽救生命，凸显了它在确保机组人员安全方面的关键作用。

然而，太空焊接给科学家和工程师带来了独特的挑战，包括真空环境、微重力、温度波动和辐射暴露。克服这些障碍对于太空结构的建造和维修至关重要，因此太空焊接专业知识对于未来的探索至关重要。在地球上进行传统的制造和维修方法在太空环境中可能不可行。因此，研究如何使焊接技术适应零重力条件至关重要。 为了应对这些挑战，来自 NASA 和俄亥俄州立大学的一组研究人员和学生设计并进行了一组独特的实验。

实验

实验装置包括一个大型真空室和一个激光束系统。激光头位于真空室上方，允许激光束穿过一个特殊的窗口，而 Xiris 相机安装在真空室内，直接面向焊接区域（图 2）。

真空室和激光系统都安装在一架改装的飞机上。这架飞机沿抛物线轨迹执行部分飞行，在此期间，机舱内的重力降至零，为研究人员和设备创造了 20-25 秒的失重环境。焊接测试是在这些短暂的微重力期间进行的，有效地模拟了不离开地球的太空条件。

Xiris 相机在空间焊接测试中的作用

俄亥俄州立大学焊接工程博士生 Aaron Brimmer 直接参与了焊接实验，他阐明了这项研究需要专用焊接相机的原因。他说：

我们研究太空条件下的激光焊接的工作要求我们在零重力下进行实验——通过抛物线飞行活动在地面上完成。这些活动非常昂贵且难以运行，因此高速焊接和热成像使我们能够最大限度地利用每条抛物线收集的数据量。

我们选择 Xiris 热成像和焊接相机有两个主要原因：高可靠性和在真空中运行的能力。可靠性是我们工作的关键;我们在零重力期间拥有的每一秒都是宝贵的。摄像机工作顺利，Xiris 的合作使我们能够构建一个强大的系统，用于在抛物线飞行工作期间捕获视频，几乎从 LabVIEW 独立运行。选择这些相机的另一个原因是我们必须在高真空环境中完全运行。可以理解的是，在真空中进行焊接摄像的商用现成选项很难或不可能获得。通过我们的一些精心设计和 Xiris 的帮助，我们能够在高真空中成功使用两台 Xiris 相机，同时保持一台相机的 100% 占空比和第二台相机的 60-80% 占空比。

展望未来

随着研究人员继续他们在太空焊接方面的开创性工作，从这些初步测试中获得的见解将为航空航天制造的未来发展铺平道路。在太空中焊接的能力不仅增强了我们的探索能力，还为其他星球的可持续生活奠定了基础。

展望未来，Xiris Automation、NASA 和俄亥俄州立大学之间的合作代表了太空焊接技术向前迈出的重要一步。我们的相机在这些开创性的实验中发挥的作用让我们感到自豪，它们在真空和零重力的具有挑战性的环境中提供关键数据。这种合作伙伴关系加强了我们支持创新研究的承诺。

随着更多项目的出现，我们很高兴能一起继续这一旅程。太空探索的未来取决于我们适应和发展技术以应对前所未有的挑战的能力，我们渴望为塑造人类在地球以外的新篇章的进步做出贡献。

[1]. Choi, E., A. Brimmer, W. McAuley, B. Panton, A. Ramirez, W. Evans, A. O’Connor, Z. Courtright, and J. W. Sowards. “Laser Beam Welding for in-Space Joining Demonstrated Under Vacuum on the Ground and By Parabolic Flight Experiments.” In DoD NDEP STEM. 2024.

联系哈尔滨维捷郭经理 15204603987 获取更详细信息。

然而，确实存在一些例外，例如GTAW / TIG或等离子焊接，其中确实存在一些颜色，尤其是焊枪。

在这种情况下，彩色相机可能是对过程进行成像的首选，使操作员能够看到一些在黑白成像中不容易看到的特征。

使用典型的焊接相机系统，例如Xiris提供的系统，图像由彩色相机以原始图像格式生成，每像素最多可达20位。然后，这些图像必须经过色调映射过程，以实现最佳图像质量，以便在通常为每像素 8 位的显示器上显示。

这种色调映射过程对于增强彩色图像至关重要，以便它们能够引起观众的最大兴趣。每个焊工都希望看到自己的特定功能通过色调映射过程得到增强，以便它们最明显，并允许他们对过程做出更好的决策。色调映射过程的设置方式可以定义焊接图像中的哪些特征为查看器增强。 通过更改色调映射的成像参数，可以使某些特征更加明显。

熔池的前缘、接缝宽度和位置、热影响区 （HAZ） 的存在以及熔池的纹理等特征都是可以通过调整色调映射参数来增强的特征示例。

Xiris开发了一个强大的彩色成像软件模块，作为其WeldStudio平台的一部分，允许用户调整色调映射参数，以确保其感兴趣的特征最明显。这是通过一系列步骤完成的：

• 首先，该软件查看每个颜色通道的直方图信息。数字彩色图像由三个分量组成——红色、蓝色和绿色（或“RGB”）。因此，每个像素都有自己独特的红色、蓝色和绿色值。测量每个RGB分量的直方图的最小值和最大值，并从输入范围“切割”像素强度值的“有效范围”。
• 色调映射软件对显示颜色进行规范化，以便范围底部的像素显示为纯黑色，范围顶部的像素显示为纯白色，并相应地映射中间值。黑白值可以由软件自动计算，也可以由用户手动控制。黑色（底部切割）点和白色（顶部切割）点的计算分别受“暗色”和“饱和度”设置的影响。
• 默认情况下，有效范围到输出图像的映射是线性的。但是，可以使用伽玛曲线或 S 曲线将其设置为非线性
• 减小伽玛将导致在图像的黑暗区域看到更多细节;增加它将导致在明亮区域看到更多细节。

S 曲线是查找表（或“LUT”）的一种形式，用于转换每个输入 RAW 像素在色调映射过程中的显示方式。

S 曲线是使用以下格式的方程式生成的：

其中 α 和 β 是系数值，可以使用滑块进行调整以更改 S 曲线的形状。在彩色图像的情况下，每个 R、G 和 B 颜色通道都可以有自己的曲线。通过调整系数，可以使相应的颜色分量变亮或变暗，有助于增强图像以突出某些特征。

最后，可以调整整体图像的鲜艳度，以增加焊接过程中常见的柔和颜色的强度，同时保持饱和颜色（如焊弧或焊枪）不变。其结果是，其他焊接特征（如熔池或背景）可以看起来更自然，甚至随着活力的增加而增加。

具有不同色调映射的示例：

总结

彩色图像可以为焊工提供在单色图像中不常被注意到的附加信息，特别是对于 GTAW / TIG 等精密焊接。在一些非常具体的焊接工艺中，使用单个查找表增强色调映射处理可以成为自定义图像显示并突出显示单个焊工感兴趣的特定特征的有效工具。

面对高达300毫米的深缝挑战，实时监控焊接进程以确保无瑕质量成为必行之举。窄缝中易出现的侧壁未熔合等问题，凸显了连续、高清观测的重要性。

为何窄间隙焊接呼唤智能监控？

• 实时捕捉缺陷：预防由参数不当或表面处理不佳引发的侧壁熔合不足。
• 确保层间完美结合：监控每道焊缝的相互熔合，避免因清洁度或参数设置误差产生的问题。
• 精准电弧控制：保持电弧与侧壁精确对准，防止焊接不均。
• 平衡焊枪摆动：对称摆动增强两侧熔合，需精细调整与监控。

传统挑战与现代解决方案：

过去，受限于空间与技术，小型“口红”相机成为主流，但其模拟技术和缺乏HDR成像能力限制了应用效果。随着市场需求升级和原有设备退役，行业急需革新。

Xiris XVC-310口红相机应运而生，携全数字彩色HDR成像技术，突破传统局限。这款直径仅17毫米的紧凑相机，不仅无缝融入狭窄作业空间，还提供超过120dB的动态范围，清晰展现焊接细节，实现远程监控和功能自动检测。

XVC-310的核心优势：

• 紧凑设计：适配各种狭窄环境。
• HDR彩色成像：卓越图像质量，深度揭示焊接状态。
• 工业4.0兼容：GigE以太网接口，支持高级自动化集成。

监控视角选择：

• 前端视角：直击熔池前沿，监控对齐、尖端状态及侧壁熔合。
• 后端视角：评估焊道形态、送丝速度与质量，及时发现表面瑕疵。

结语：

在窄间隙焊接的精密世界里，XVC-310不仅是摄像头的迭代，更是焊接工艺透明化、智能化的里程碑。通过精准监控，确保每一次焊接都达到最优状态，推动制造业向更高标准迈进。

TIG焊/等离子弧焊，特别适合于窄间隙、全位置轨道焊接

XVC-310 焊接相机是一款配备120+ dB高动态范围（HDR）功能的微型彩色相机，专为在空间受限环境下远程观察和监控GTAW（钨极氩弧焊）及等离子焊接过程而设计，如窄间隙焊和全位置轨道焊应用。
XVC-310可以轻松监控TIG尖端、熔池、焊缝、母材以及送丝情况等焊接特征，在焊接前、中、后阶段提供更优
质的图像、更明智的决策和更好的工艺控制。

功能特点

• 高分辨率成像：HDR功能使相机能够生成具有超过120dB动态范围的高清彩色图像，确保操作员对焊接准备及过程有清晰、无间断的视图。
• 易于升级：紧凑的17mm外壳使得该相机能够轻松替换老旧的口红式相机，仅需进行最小的技术改动即可完成升级。
• 多相机同屏显示：多台相机可在同一屏幕上无缝显示与控制。
• 简化布线管理：使用一根长达10米的高柔性同轴电缆传输视频信号至相机控制器，控制器再通过GigE或POE连接至PC，确保额外100米范围内数据传输的可靠性。
• 多样化镜头选择：提供多种标准镜头选项，以适应不同的工作距离和视野要求，确保适用于各种应用场景。
• 软件兼容性：与Xiris的WeldStudio和WeldStudio Pro软件包兼容，用于相机控制、视频显示、录制回放，以及支持工业4.0过程控制的各种机器视觉和AI工具。

技术规格

• 尺寸：
  相机：直径17mm × 长度83mm
  控制器：宽度100mm × 高度50mm × 长度150mm
• 重量：
  相机：80克、
  控制器：600克
• 相机分辨率：1344 × 968像素，滚动快门。
• 电源：采用POE（以太网供电）
• 图像数据格式：彩色16位HDR，最高可达40帧/秒
• 环境防护等级：IP65
• 镜头：配备S接口可现场调焦镜头
• 工作环境温度：
  1、常温下可达45°C，无需冷却
  2、配备冷却座时可达80°C
  3、配备冷却壳体时可达300°C
• 相机控制参数：曝光时间、增益、饱和度、帧率、感兴趣区域（AOI）、图形叠加、色彩控制
• 可选外置照明：可集成冷却座照明，或使用外部光源
• 连接至PC接口：M12 X编码以太网（Cat 6+），带POE功能
• 认证：CE、FCC、RoHS

哈尔滨维捷焊接还提供包括光学器件、电缆、控制器、HMI设备、电源适配器、焊接麦克风和工业壳体在内的所有配件。

传统操作环境下，焊枪或等离子弧的对准以及焊丝或粉末向基材的输送校验，往往需要在设备停机后进行离线检查，通常借助焊接头盔或外部焊接观察窗，受限于不佳的观察角度，增加了调试难度。相比之下，HDR焊接相机嵌入至MAM设备内部后，操作员得以在实时运行状态下，直观获得焊枪与焊丝（或粉末流）的高对比度、高清晰视图，无论何种工艺设定，皆能一览无遗。如此一来，他们能够在不影响生产连续性的情况下，即时根据摄像反馈调整工艺参数，确保焊接过程持续处于理想状态。

采用最新一代Xiris HDR焊接相机，MAM设备的操作界面所提供的图像品质达到了前所未有的清晰度，足以支撑在设备内部实施严格的质量保证与工艺控制措施。该相机依托先进的电子组件，实现了惊人的10,000,000:1对比度水平，相当于约140分贝的信号动态范围。这些高精度图像随后被细腻地转换为8位格式，呈现在显示屏上，使得操作员能够轻易辨识图像中最亮与最暗部分的细微特征，无需依赖传统的焊接护目镜进行间接观测。

配套的软件工具进一步增强了操作体验，赋予用户对摄像系统的全面操控能力，包括录像与回放功能，以及对捕捉到的图像进行深度分析处理，从中提炼出关于沉积过程的关键信息，助力实时决策与后期工艺评估。综上所述，HDR焊接相机不仅革新了MAM工艺的可视化水平，更为实现精准焊接控制、提升产品质量与生产效率提供了强大技术支持。

健康与物理危害：

1. 六价铬烟雾：吸入已知的致癌物质Cr(VI)烟雾具有显著的健康风险。无论是手工焊工还是机械化系统操作员，都需要确保良好的通风、使用合适的呼吸器以及尽量减少烟雾产生。另外，根据所采用的焊接工艺和填充金属，还可能产生其他有害烟雾和气体。因此，安装烟尘抽取系统至关重要，以减轻这些风险。
2. 紫外线辐射与高温：焊接电弧会释放出强烈的紫外线辐射，要求焊工强制佩戴具有适当遮光等级的焊接头盔和防护帘，以保护眼睛。此外，由于大量热能产生，必须穿戴适当的耐热防护服，以降低烧伤风险。

材料问题：

3. 变形与翘曲：不锈钢因其高导热性容易受到热变形和翘曲的影响。通过预热、控制热输入及焊后热处理等方式，可以有助于缓解这些问题。
4. 腐蚀性能丧失：不恰当的焊接技术可能导致不锈钢因敏化、不利相形成或晶粒粗化而损害其腐蚀性能。因此，正确使用焊接工艺至关重要。

焊接相机如何增强不锈钢焊接作业的安全性、材料质量和生产效率？

在长时间监控焊接过程的机械化和自动化焊接过程中，上述问题显得更为关键。焊接摄像头在应对这些挑战时提供显著优势：

1. 提升安全性：焊接相机通过在显示器上展示焊接过程，使操作员能够在更安全、更符合人体工程学的位置监控过程，从而最大程度地减少他们接触健康和物理危害的机会。
2. 改善材料质量：尤其是那些能够提供彩色图像的摄像头，可实现对焊接过程及其周围材料表面的连续监控，以便进行调整以减少变形和翘曲，确保焊缝质量优良且接头完整。
3. 提高生产效率：操作员可以通过相机视频流高效监控和控制工艺参数，这将提高对焊接规程的遵循度，并可能带来生产率的提升。

总之，焊接相机有助于营造一个更安全、更高效、更高品质的不锈钢焊接环境，最终推动一支生产力更高、满意度更高的员工队伍。

来源：https://blog.xiris.com/blog/2024-trends-tube-manufacturing

下面的示意图（图 1）显示了几种主要热喷涂工艺的粒子速度-温度图。 粒子温度在等离子喷涂中可以达到几百度到超过 3000°C，在高速氧燃料 (HVOF) 工艺中可以达到约 2000°C。 射流内的粉末温度也可能有很大差异。

温度分布控制是热喷涂的关键。 颗粒、基材和沉积区域的温度对于决定整体涂层质量的涂层附着力和密度至关重要。

高速氧气燃料 (HVOF)

高速氧燃料（HVOF）热喷涂工艺常用于碳化钨（WC）耐磨涂层、碳化铬涂层和防腐不锈钢涂层。在此过程中，当氧气和气体燃料混合物在燃烧室中燃烧时，它以超音速离开喷嘴（图 2）。 将粉末注入该流中，使其加速至高速并加热至约 1000-2000 °C 的温度。 粉末的动能产生冲击力，有助于在相对较低的温度下形成坚硬、致密的涂层。 这对于温度敏感的高强度钢应用（例如飞机起落架的耐磨涂层）尤为重要。

图 3. 使用XIR-1800 高动态红外相机（热像仪）拍摄的 HVOF 热图像。

在 HVOF 中，粒子流、基底和沉积物的温度非常重要。 粒子在流中的分布及其均匀性也很重要，因为它定义了局部沉积密度并且会受到喷嘴劣化的影响。

热像仪广泛用于热喷涂，因为温度控制对于沉积质量至关重要。 然而，将传统热像仪用于热喷涂应用的主要缺点是分辨率低。 低分辨率成像使得很难发现粒子流中的较小变化或与目标碰撞后反射粒子的行为。

与 CMOS 可见光相机相比，XIR-1800 高动态热像仪的曝光时间短和帧速率更高，可以获得更清晰的高速过程图像。 例如，在 HVOF 中，喷枪通常以每秒几个循环的速度围绕基材移动，以形成均匀的涂层。

图 4. HVOF 的 XIR-1800 SWIR 图像。 可以在主粒子流的顶部注意到一条分流。 此外，在喷雾流中可能会注意到微弱的超音速冲击的菱形区域。

除了温度分布，XIR-1800 等高分辨率摄像机还允许操作者查看其过程的更多细节。 例如，在上面的（图 4）中，可以在粒子流的顶部看到一个分裂部分。 这种不均匀性可能是喷嘴损坏的迹象，并可能影响涂层质量。 在下面的示例中（图 5），由于工艺参数不完善，沉积物与基板之间的附着力不足，在试样底部的几个区域可以注意到涂层脱落。 由于附着不良，与正确沉积的涂层相比，这些区域会过热。 在图 5 中可以清楚地看到它们的较高温度。

图 5. 涂层工艺参数不当导致其脱落。 分离区域在热图像中可见，因为它在过程中过热。

等离子喷涂

等离子喷涂是另一种广泛使用的热喷涂工艺。 它的特点是比 HVOF 具有更高的温度和更低的颗粒速度。 由于电弧产生的等离子射流温度很高，因此常用于沉积陶瓷。这方面的一个例子是喷气发动机部件上的锆热障涂层，因为等离子羽流的温度足以熔化或 蒸发任何已知物质。该过程的示意图如图 6 所示。等离子射流由水冷阴极和阳极与等离子气体之间的电弧形成。 粉末从如下所示的一侧或同轴插入。

图 6. 等离子喷涂工艺示意图。 资料来源：Bravo 等. (2020)，Revista Mexicana de Ingeniería Química. 20. 229-239

图 7. 等离子喷涂的锆颗粒到达试样时的 红外热图像。 在本例中，圆形试样安装在转速为 70 rpm 的转盘上。

等离子喷涂颗粒的速度远低于 HVOF 工艺沉积的颗粒。 等离子粉末通常也比 HVOF 中使用的大。 在上图（图 7）中可以看到单个颗粒的清晰条纹，该图像是使用 XIR-1800 热像仪拍摄的，曝光时间为 5 毫秒。

图 8. 等离子喷涂颗粒沉积到试样上的热图像。

了解更多高动态红外热成像相机，请联系哈尔滨维捷焊接技术公司 郭经理，15204603987