核燃料棒堵孔焊接圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵道勇,羅杭建

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072 )

?

核燃料棒堵孔焊接圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵道勇,羅杭建

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072 )

針對(duì)以往核燃料棒密封焊接時(shí)無(wú)法精細(xì)調(diào)整鎢極距離、實(shí)時(shí)觀測(cè)焊室內(nèi)部情況以及保存焊接圖像的弊端，設(shè)計(jì)了一套基于LABVIEW的核燃料棒焊接圖像采集與處理系統(tǒng)；不同于傳統(tǒng)的投影方法，系統(tǒng)利用兩個(gè)數(shù)字相機(jī)獲取焊室內(nèi)部圖像及焊接過(guò)程視頻，通過(guò)圖像處理分析鎢極尖端與核燃料棒端塞的極距、對(duì)中情況和燒損程度等，并將焊接前后圖像、極距保存到棒料焊接的相應(yīng)記錄中；多次焊接試驗(yàn)表明，圖像系統(tǒng)能夠穩(wěn)定清晰地獲取焊室內(nèi)的圖像，極距和對(duì)中情況分析準(zhǔn)確可靠；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了鎢極燒損的外觀特點(diǎn)，并探討了適合本焊接設(shè)備的極距。

堵孔焊接；LABVIEW；圖像采集；鎢極調(diào)整

0 引言

未來(lái)5～15年是我國(guó)核電事業(yè)快速發(fā)展期，作為核電機(jī)組的基本元件，核燃料棒的需求也將快速提高[1]。核燃料棒作為防止放射性物質(zhì)外溢的第一道屏障，它的密封焊接質(zhì)量要求極高。核燃料棒上端塞TIG堵孔焊接是密封焊接的最后一道焊接工序，受到格外重視。堵孔焊接時(shí)焊槍鎢極與端塞的極距、對(duì)中情況及鎢極燒損程度對(duì)焊接質(zhì)量影響較大[2-3]。鎢極與端塞的距離應(yīng)控制在0.5～2 mm，極距過(guò)大時(shí)電弧散失熱量較多，容易產(chǎn)生未焊透、斷弧和引弧失敗現(xiàn)象；極距太小時(shí)容易造成鎢極與工件短路或使工件夾鎢[4-7]。鎢極與端塞小孔對(duì)中性差時(shí)焊點(diǎn)偏斜，不能形成半球形，不符合核燃料棒的外觀檢測(cè)要求；鎢極燒損嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接電壓、電流、保護(hù)氣體壓力等工藝參數(shù)均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集與記錄，但調(diào)整鎢極時(shí)仍依靠投影儀人工估計(jì)極距和對(duì)中情況且極距沒(méi)有錄入相應(yīng)記錄，存在焊工調(diào)節(jié)鎢極時(shí)的粗大誤差；無(wú)法保存焊接圖片及視頻，不利于回溯分析。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于LABVIEW的圖像采集與處理系統(tǒng)。

1 焊接圖像采集與處理硬件設(shè)備

焊接圖像采集與處理系統(tǒng)包含兩個(gè)Basler CCD數(shù)字相機(jī)，分辨率為1 278*958，幀率為30，可輸出32位彩色圖像，配置對(duì)應(yīng)的1/3英寸光學(xué)鏡頭和輔助光源。該相機(jī)采用基于千兆網(wǎng)的Gige Vision圖像傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸距離長(zhǎng)、傳輸效率高、可靠性高的特點(diǎn)。數(shù)字相機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)線與工控機(jī)連接，在工控機(jī)端通過(guò)相機(jī)配置軟件給兩個(gè)相機(jī)分配不同的靜態(tài)地址，以便程序調(diào)用。設(shè)計(jì)時(shí)兩個(gè)相機(jī)通過(guò)相機(jī)固定架分別固定在焊室的正上方和正后方，以俯視和后視兩個(gè)角度觀察焊室中核燃料棒端部與鎢極尖端的極距和對(duì)中情況，通過(guò)專用夾具固定核燃料棒，鎢極調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整鎢極前后、上下左右的位置，圖1為焊室中核燃料棒、鎢極和相機(jī)分布的示意圖。

圖1 焊室及相機(jī)示意圖

2 焊接圖像采集

2.1 圖像采集軟件設(shè)計(jì)

LABVIEW軟件中IMAQ Vision模塊支持對(duì)NI自產(chǎn)相機(jī)的編程控制，IMAQ dx模塊支持非自產(chǎn)的部分相機(jī)(如Basler)編程控制，支持性較低的相機(jī)需要通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式對(duì)相機(jī)進(jìn)行編程控制。本系統(tǒng)利用IMAQ dx模塊、DAQ模塊和VAS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)Basler相機(jī)的參數(shù)配置、圖片及視頻的采集與保存和圖像的處理分析。圖像采集基本程序開(kāi)發(fā)主要用到的子VI有IMAQdx Open Camera.vi、IMAQdx Configure Grab.vi、IMAQdx Grab.vi、IMAQ Create.vi、IMAQdx Get Image2.vi 、IMAQdx Release Image.vi、IMAQdx Close Camera.vi 、Imaq Dispose.vi及IMAQ Image.ctl等，圖像采集程序框圖如圖2所示。在圖像采集程序中，圖片按照特定的格式和命名方式保存在指定的文件夾中。

圖2 圖像采集程序框圖

2.2 焊接圖像采集

鎢極的燒損是不可避免的，當(dāng)燒損到達(dá)一定程度后需要更換鎢極；焊接時(shí)產(chǎn)生的煙霧附著在焊室內(nèi)壁，需要經(jīng)常拆卸焊室并清洗焊室內(nèi)腔。更換鎢極或清理焊室后，要將鎢極重新調(diào)整到合適的位置，保證鎢極極距符合焊接工藝參數(shù)要求，并保證鎢極軸心在俯視和后視時(shí)與端塞中心的偏差在許用的范圍內(nèi)，調(diào)整好鎢極后將其位置固定。焊室內(nèi)腔光線較弱，需要開(kāi)啟輔助光源相機(jī)才能獲取清晰的圖片，但同側(cè)的相機(jī)與光源同時(shí)工作時(shí)，焊室光潔的加工面使光源的光線發(fā)生鏡面反射，導(dǎo)致成像效果極差，開(kāi)啟異側(cè)的光源和相機(jī)可以捕獲高質(zhì)量的焊室內(nèi)部圖像。調(diào)整鎢極時(shí)，開(kāi)啟圖像采集程序，在工控機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)顯示焊室中鎢極與核燃料棒端塞的相對(duì)位置，圖3為圖像采集程序運(yùn)行的流程圖。

圖3 圖像采集程序運(yùn)行流程

正式焊接前，從俯視和后視兩個(gè)角度拍攝焊室內(nèi)鎢極與核燃料棒的圖像并保存，分析極距并與焊接電流等焊接工藝參數(shù)一起保存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供查詢與分析；焊接過(guò)程中，通過(guò)俯視相機(jī)觀察焊接電弧。圖4為某次焊接試驗(yàn)時(shí)獲取的圖片。

圖4 相機(jī)獲取的原始圖片

3 鎢極調(diào)整分析

3.1 鎢極與工件極距測(cè)量

通過(guò)相機(jī)獲取的原始圖片焊接人員只能估計(jì)極距的大小，為實(shí)現(xiàn)鎢極的準(zhǔn)確調(diào)整，需要精確測(cè)量極距。運(yùn)用LABVIEW的VAS模塊開(kāi)發(fā)測(cè)距程序。以俯視圖為例(圖5)，預(yù)處理時(shí)首先利用IMAQ Create子VI為即將進(jìn)行處理的圖像提供一個(gè)內(nèi)存空間，并創(chuàng)建圖像的名稱、指定輸入圖像的類(lèi)型(圖像的類(lèi)型主要有Grayscale(U8)、Grayscale(I16)、Grayscale(SGL)、Complex(CSG)、RGB(U32)、HSL(U32)、RGB(U64)、Grayscale(U16))，本設(shè)計(jì)中設(shè)置的相機(jī)圖片輸出類(lèi)型為RGB(U32)，故Image Type接線端選擇RGB(U32)；IMAQ ReadFile子VI指定待處理圖像的路徑，即最新獲取的圖片的保存路徑；通過(guò)IMAQ Cast Image將待處理圖像轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行圖像處理的8位灰度圖；IMAQ LowPass子VI對(duì)低頻信號(hào)得以保留通過(guò)而超過(guò)設(shè)定臨界值的高頻信號(hào)進(jìn)行阻隔、減弱，對(duì)待處理圖像進(jìn)行低通濾波處理，選用較高的容差值除去尖銳的斑點(diǎn)[8]。

圖5 極距測(cè)量前面板及程序框圖

圖6 極距測(cè)量VAS處理模塊

預(yù)處理結(jié)束后，利用Vision Assistant Express VI對(duì)圖像進(jìn)行后期處理分析，其流程如圖6所示。由于焊室內(nèi)腔小而不平整，無(wú)法采用更為精確的點(diǎn)陣方式進(jìn)行標(biāo)定，采用了傳統(tǒng)的比例標(biāo)定方式[9]測(cè)量極距和鎢極軸線偏差與端塞中心偏差。Brightness模塊用于調(diào)節(jié)圖像的亮度、對(duì)比度和Gamma值，合理調(diào)節(jié)三項(xiàng)參數(shù)使圖像中鎢極、核燃料棒端塞以及焊室內(nèi)腔的邊緣特征更清晰，便于鎢極尖端、直徑邊緣、端塞邊緣以及焊室內(nèi)腔孔邊緣特征的提??；Image Mask模塊給圖像設(shè)置掩膜，保留感興趣區(qū)域的圖像；利用machine vision中Find Circular Edge和Set Coordinate System 模塊提取焊室內(nèi)腔圓孔特征，輸出其半徑(像素尺寸)，并將圓心設(shè)置為新建坐標(biāo)系原點(diǎn)；通過(guò)Edge Detector模塊分別檢測(cè)并輸出鎢極和端塞在合適直徑處上下邊沿在上述坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Clamp(Rake)用于測(cè)量鎢極尖端到端塞端面的水平距離和鎢極直徑(均為像素尺寸)；Caliper用于測(cè)量鎢極尖端錐度。鎢極和焊室內(nèi)腔的實(shí)際尺寸已知，根據(jù)相應(yīng)的比例關(guān)系可以換算出極距和中心偏差實(shí)際值，極距的具體換算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，DL表示極距的實(shí)際尺寸，DLpxi表示極距的像素尺寸，DW表示鎢極直徑的實(shí)際尺寸，DWpxi表示鎢極直徑的像素尺寸，DK表示焊室內(nèi)腔圓孔直徑的實(shí)際尺寸，DWpxi表示焊室內(nèi)腔圓孔直徑的像素尺寸。

調(diào)節(jié)鎢極調(diào)整裝置使極距在焊接工藝參數(shù)規(guī)定的范圍內(nèi)，固定鎢極軸向位置完成極距調(diào)整。

3.2 鎢極對(duì)中分析

鎢極的對(duì)中主要發(fā)生于更換鎢極后的焊接準(zhǔn)備階段，包括俯視方向和后視方向鎢極軸線與端塞中心的對(duì)中。以俯視方向?qū)χ袨槔?，如圖5中程序前面板所示，通過(guò)VAS模塊輸出像素坐標(biāo)系中某處鎢極直徑上下邊沿兩點(diǎn)的坐標(biāo)W1(x1,y1)，W2(x2,y2)以及端塞圓錐某處圓截面上下邊沿兩點(diǎn)的坐標(biāo)D1(x3,y3)，D2(x4,y4)。

(4)

(5)

式中,DF表示俯視時(shí)鎢極軸線與端塞中心偏差實(shí)際尺寸，DFpxi表示俯視時(shí)鎢極軸線與端塞中心偏差像素尺寸，后視方向的鎢極軸線與端塞中心偏差測(cè)量與之類(lèi)似。調(diào)節(jié)鎢極的徑向位置使俯視與后視兩個(gè)方向的鎢極軸線與端塞中心偏差逐漸縮小至允許范圍，然后固定鎢極徑向位置，完成鎢極的調(diào)整工作。

3.3 鎢極燒損分析

鎢極固定后，隨著焊接次數(shù)的增加，極距會(huì)隨著鎢極的逐漸燒損而增大，這在一定程度上影響了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，可以在焊接一定次數(shù)后將鎢極極距調(diào)小補(bǔ)償鎢極燒損；且鎢極燒損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。借助圖像采集系統(tǒng)的放大功能，能夠細(xì)致的觀察鎢極的變化情況，有助于焊接人員及時(shí)對(duì)鎢極重磨或者更換新鎢極，以保證焊接質(zhì)量。如表1所示，通常依據(jù)鎢極尖端的外觀判斷鎢極燒損程度：新鎢極錐面光潔、完好，端部平臺(tái)明顯；輕度燒損時(shí)錐面有微量氧化，端部平臺(tái)棱角變圓滑；中等燒損時(shí)尖端氧化明顯，端部明顯不平，出現(xiàn)較小焊瘤；嚴(yán)重?zé)龘p時(shí)尖端嚴(yán)重氧化、變形，產(chǎn)生較大焊瘤。

表1 鎢極燒損程度對(duì)比

3.4 焊接試驗(yàn)

為驗(yàn)證極距對(duì)堵孔焊接質(zhì)量的影響情況，獲取適合本焊接設(shè)備在某焊接電流時(shí)的極距，進(jìn)行了相關(guān)焊接試驗(yàn)和金相分析。試驗(yàn)用端塞材質(zhì)為316L不銹鋼，小孔直徑1 mm；采用直流負(fù)接法，焊接電流為45A，焊接持續(xù)時(shí)間0.6 s；鎢極直徑2 mm，錐角20°；焊前抽真空至6 Pa以下，并充1.3 MPa氦氣。表2是極距分別為0.84 mm、1.14 mm、1.74 mm時(shí)焊接前俯視圖、處理過(guò)程圖及焊后剖面圖的對(duì)比情況。對(duì)比剖面圖可知極距越大，堵孔焊熔深越?。涸跇O距為1.74 mm時(shí)端部融化不足，形成凹陷弧坑，小孔密實(shí)區(qū)深度約1.10 mm；極距為1.14 mm時(shí)端部融化良好，外觀圓潤(rùn)，密實(shí)區(qū)深度約為1.92 mm；在極距為0.84 mm時(shí)端部融化區(qū)最大，外形圓潤(rùn)，密實(shí)區(qū)深度約為2.62 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，在上述焊接參數(shù)下，極距取0.8～1.2 mm時(shí)小孔的密實(shí)區(qū)深度較為理想。

表2 不同極距焊接實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

采用基于LABVIEW的圖像采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行鎢極的極距測(cè)量和對(duì)中分析，相比傳統(tǒng)投影處理的方式，具有體積小、簡(jiǎn)單直觀、精確可靠的明顯優(yōu)勢(shì)；且保存焊接前后的焊室內(nèi)部圖像、焊接過(guò)程的視頻以及對(duì)應(yīng)棒焊接的極距對(duì)于完善核燃料棒焊接工藝參數(shù)記錄、回溯分析是十分必要的。該圖像采集與處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，能夠快速的提取鎢極、核燃料棒端塞、焊室圓孔內(nèi)腔等邊緣特征，準(zhǔn)確計(jì)算出極距，可以簡(jiǎn)化鎢極調(diào)整工作、穩(wěn)定焊接質(zhì)量；焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，在上述焊接參數(shù)條件下，極距在0.8～1.2 mm范圍內(nèi)可以獲得理想的密實(shí)區(qū)深度。

[1] 張生玲,李 強(qiáng).低碳約束下中國(guó)核電發(fā)展及其規(guī)模分析[J].中國(guó)人口.資源與環(huán)境,2015,25(6):47-52.

[2] 梁 宇,鐘標(biāo)全,鄒 杰.MSR管子管板封口焊鎢極影響因素研究[J].東方電氣評(píng)論,2015,29(1):50-53.

[3] 馮英超,石愛(ài)強(qiáng),劉麗麗,等.鎢極對(duì)不添絲自動(dòng)TIG焊工藝的影響[J].電焊機(jī),2009,39(4):151-152.

[4] 陳寶山,劉承新.輕水堆燃料元件[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[5] 王 敏.激光-TIG復(fù)合熱源焊接鈦合金T形結(jié)構(gòu)焊縫成形特點(diǎn)及影響因素分析[J].焊接學(xué)報(bào),2010,31(12):105-108.

[6] 王 軍,馮吉才,何 鵬,等.TIG-MIG間接電弧焊工藝[J].焊接學(xué)報(bào),2009,30(2):145-148.

[7] 王天先.高壓換熱器管子管板自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊[J].電焊機(jī),2007,37(8):64-68.

[8] 朱焱丹.基于LabVIEW的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定[J].中國(guó)測(cè)試,2009,35(6):54-56.

[9] 張艷清,高 輝,孫立強(qiáng).基于LabVIEW平臺(tái)的焊接電弧圖像研究[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2010,19(4):35-37.

Image System Designed for Plugging Holes Welding of Nuclear Fuel Rods

Shao Daoyong, Luo Hangjian

(School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072,China)

In the past, the tungsten distance couldn’t be precisely measured during the sealing welding process of nuclear fuel rods and real-time observation of internal welding chamber as well as to save the welding images were also unrealized. To solve that, an image acquisition and processing system based on LabVIEW for the plugging holes welding is designed. Unlike traditional projection methods, the system includes two digital cameras to obtain the internal images of the chamber and welding videos. Then analysis the relative position between tungsten and the nuclear fuel rod end plug. And then save the analysis results and the images to the corresponding record. Welding experiments show that the image system can obtain high quality internal image and work stably, and the analysis is accuracy and reliable; According to the experiments results, summarized the suitable tungsten distance.

plugging holes welding; LabVIEW; image acquision; tungsten adjustment

2016-04-08；

2016-05-19。

通訊作者：邵道勇(1991-)，男，江西吉安人，碩士研究生，主要從事機(jī)械制造方向的研究。

1671-4598(2016)09-0244-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A