邵道勇,羅杭建

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072 )

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核燃料棒堵孔焊接圖像系統(tǒng)設計

邵道勇,羅杭建

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072 )

針對以往核燃料棒密封焊接時無法精細調整鎢極距離、實時觀測焊室內部情況以及保存焊接圖像的弊端，設計了一套基于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)利用兩個數(shù)字相機獲取焊室內部圖像及焊接過程視頻，通過圖像處理分析鎢極尖端與核燃料棒端塞的極距、對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記錄中；多次焊接試驗表明，圖像系統(tǒng)能夠穩(wěn)定清晰地獲取焊室內的圖像，極距和對中情況分析準確可靠；根據(jù)實驗結果，總結了鎢極燒損的外觀特點，并探討了適合本焊接設備的極距。

堵孔焊接；LABVIEW；圖像采集；鎢極調整

0 引言

未來5～15年是我國核電事業(yè)快速發(fā)展期，作為核電機組的基本元件，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外溢的第一道屏障，它的密封焊接質量要求極高。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。堵孔焊接時焊槍鎢極與端塞的極距、對中情況及鎢極燒損程度對焊接質量影響較大[2-3]。鎢極與端塞的距離應控制在0.5～2 mm，極距過大時電弧散失熱量較多，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]。鎢極與端塞小孔對中性差時焊點偏斜，不能形成半球形，不符合核燃料棒的外觀檢測要求；鎢極燒損嚴重時會導致電弧不穩(wěn)定，嚴重影響焊接質量。

隨著焊接技術的不斷發(fā)展，焊接電壓、電流、保護氣體壓力等工藝參數(shù)均已實現(xiàn)自動采集與記錄，但調整鎢極時仍依靠投影儀人工估計極距和對中情況且極距沒有錄入相應記錄，存在焊工調節(jié)鎢極時的粗大誤差；無法保存焊接圖片及視頻，不利于回溯分析。針對上述問題，設計了基于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備

焊接圖像采集與處理系統(tǒng)包含兩個Basler CCD數(shù)字相機，分辨率為1 278*958，幀率為30，可輸出32位彩色圖像，配置對應的1/3英寸光學鏡頭和輔助光源。該相機采用基于千兆網(wǎng)的Gige Vision圖像傳輸標準，具有傳輸距離長、傳輸效率高、可靠性高的特點。數(shù)字相機通過千兆網(wǎng)線與工控機連接，在工控機端通過相機配置軟件給兩個相機分配不同的靜態(tài)地址，以便程序調用。設計時兩個相機通過相機固定架分別固定在焊室的正上方和正后方，以俯視和后視兩個角度觀察焊室中核燃料棒端部與鎢極尖端的極距和對中情況，通過專用夾具固定核燃料棒，鎢極調整機構調整鎢極前后、上下左右的位置，圖1為焊室中核燃料棒、鎢極和相機分布的示意圖。

圖1 焊室及相機示意圖

2 焊接圖像采集

2.1 圖像采集軟件設計

LABVIEW軟件中IMAQ Vision模塊支持對NI自產(chǎn)相機的編程控制，IMAQ dx模塊支持非自產(chǎn)的部分相機(如Basler)編程控制，支持性較低的相機需要通過調用動態(tài)鏈接庫的形式對相機進行編程控制。本系統(tǒng)利用IMAQ dx模塊、DAQ模塊和VAS模塊來實現(xiàn)Basler相機的參數(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，當燒損到達一定程度后需要更換鎢極；焊接時產(chǎn)生的煙霧附著在焊室內壁，需要經(jīng)常拆卸焊室并清洗焊室內腔。更換鎢極或清理焊室后，要將鎢極重新調整到合適的位置，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與端塞中心的偏差在許用的范圍內，調整好鎢極后將其位置固定。焊室內腔光線較弱，需要開啟輔助光源相機才能獲取清晰的圖片，但同側的相機與光源同時工作時，焊室光潔的加工面使光源的光線發(fā)生鏡面反射，導致成像效果極差，開啟異側的光源和相機可以捕獲高質量的焊室內部圖像。調整鎢極時，開啟圖像采集程序，在工控機顯示屏上實時顯示焊室中鎢極與核燃料棒端塞的相對位置，圖3為圖像采集程序運行的流程圖。

圖3 圖像采集程序運行流程

正式焊接前，從俯視和后視兩個角度拍攝焊室內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)一起保存在相應數(shù)據(jù)庫中，以供查詢與分析；焊接過程中，通過俯視相機觀察焊接電弧。圖4為某次焊接試驗時獲取的圖片。

圖4 相機獲取的原始圖片

3 鎢極調整分析

3.1 鎢極與工件極距測量

通過相機獲取的原始圖片焊接人員只能估計極距的大小，為實現(xiàn)鎢極的準確調整，需要精確測量極距。運用LABVIEW的VAS模塊開發(fā)測距程序。以俯視圖為例(圖5)，預處理時首先利用IMAQ Create子VI為即將進行處理的圖像提供一個內存空間，并創(chuàng)建圖像的名稱、指定輸入圖像的類型(圖像的類型主要有Grayscale(U8)、Grayscale(I16)、Grayscale(SGL)、Complex(CSG)、RGB(U32)、HSL(U32)、RGB(U64)、Grayscale(U16))，本設計中設置的相機圖片輸出類型為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IMAQ Cast Image將待處理圖像轉換為能夠進行圖像處理的8位灰度圖；IMAQ LowPass子VI對低頻信號得以保留通過而超過設定臨界值的高頻信號進行阻隔、減弱，對待處理圖像進行低通濾波處理，選用較高的容差值除去尖銳的斑點[8]。

圖5 極距測量前面板及程序框圖

圖6 極距測量VAS處理模塊

預處理結束后，利用Vision Assistant Express VI對圖像進行后期處理分析，其流程如圖6所示。由于焊室內腔小而不平整，無法采用更為精確的點陣方式進行標定，采用了傳統(tǒng)的比例標定方式[9]測量極距和鎢極軸線偏差與端塞中心偏差。Brightness模塊用于調節(jié)圖像的亮度、對比度和Gamma值，合理調節(jié)三項參數(shù)使圖像中鎢極、核燃料棒端塞以及焊室內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腔孔邊緣特征的提??；Image Mask模塊給圖像設置掩膜，保留感興趣區(qū)域的圖像；利用machine vision中Find Circular Edge和Set Coordinate System 模塊提取焊室內腔圓孔特征，輸出其半徑(像素尺寸)，并將圓心設置為新建坐標系原點；通過Edge Detector模塊分別檢測并輸出鎢極和端塞在合適直徑處上下邊沿在上述坐標系中的坐標；Clamp(Rake)用于測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用于測量鎢極尖端錐度。鎢極和焊室內腔的實際尺寸已知，根據(jù)相應的比例關系可以換算出極距和中心偏差實際值，極距的具體換算公式如下：

(1)

(2)

(3)

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

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

3.2 鎢極對中分析

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

(4)

(5)

式中,DF表示俯視時鎢極軸線與端塞中心偏差實際尺寸，DFpxi表示俯視時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量與之類似。調節(jié)鎢極的徑向位置使俯視與后視兩個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量的穩(wěn)定性，可以在焊接一定次數(shù)后將鎢極極距調小補償鎢極燒損；且鎢極燒損嚴重時，會導致電弧不穩(wěn)定，嚴重影響焊接質量。借助圖像采集系統(tǒng)的放大功能，能夠細致的觀察鎢極的變化情況，有助于焊接人員及時對鎢極重磨或者更換新鎢極，以保證焊接質量。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，端部平臺明顯；輕度燒損時錐面有微量氧化，端部平臺棱角變圓滑；中等燒損時尖端氧化明顯，端部明顯不平，出現(xiàn)較小焊瘤；嚴重燒損時尖端嚴重氧化、變形，產(chǎn)生較大焊瘤。

表1 鎢極燒損程度對比

3.4 焊接試驗

為驗證極距對堵孔焊接質量的影響情況，獲取適合本焊接設備在某焊接電流時的極距，進行了相關焊接試驗和金相分析。試驗用端塞材質為316L不銹鋼，小孔直徑1 mm；采用直流負接法，焊接電流為45A，焊接持續(xù)時間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時焊接前俯視圖、處理過程圖及焊后剖面圖的對比情況。對比剖面圖可知極距越大，堵孔焊熔深越?。涸跇O距為1.74 mm時端部融化不足，形成凹陷弧坑，小孔密實區(qū)深度約1.10 mm；極距為1.14 mm時端部融化良好，外觀圓潤，密實區(qū)深度約為1.92 mm；在極距為0.84 mm時端部融化區(qū)最大，外形圓潤，密實區(qū)深度約為2.62 mm。試驗結果表明，在上述焊接參數(shù)下，極距取0.8～1.2 mm時小孔的密實區(qū)深度較為理想。

表2 不同極距焊接實驗

4 結論

采用基于LABVIEW的圖像采集與處理系統(tǒng)進行鎢極的極距測量和對中分析，相比傳統(tǒng)投影處理的方式，具有體積小、簡單直觀、精確可靠的明顯優(yōu)勢；且保存焊接前后的焊室內部圖像、焊接過程的視頻以及對應棒焊接的極距對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)運行結果表明，能夠快速的提取鎢極、核燃料棒端塞、焊室圓孔內腔等邊緣特征，準確計算出極距，可以簡化鎢極調整工作、穩(wěn)定焊接質量；焊接試驗結果表明，在上述焊接參數(shù)條件下，極距在0.8～1.2 mm范圍內可以獲得理想的密實區(qū)深度。

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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，主要從事機械制造方向的研究。

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

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