红外热成像 – 哈尔滨维捷焊接技术

在高频焊管机上测量“V”形温度及相关功能

哈尔滨维捷 — Sun, 05 May 2024 05:06:29 +0000

高频（HF）焊接作为一种高效的高速焊接技术，在金属管制造行业中发挥着核心作用，尤其在处理大直径到小直径、厚壁管材的批量生产中展现出显著优势。尽管该技术高度适应不同规格管材的焊接需求，其工艺过程复杂多变，要求对各个环节进行精细控制，以确保焊接效果最优。

其中，焊接前带状边缘在汇集并通过感应线圈时，“V”形区域的精确温度监控极为关键。这一测量不仅能揭示管材成型的精细状态，还是评价焊接精度与过程稳定性的重要依据。具体而言，通过分析指向“V”顶点（标记为A）沿带材边缘的温度变化曲线，制造商可准确判断材料预热至焊接点的均匀性，为优化焊接前的热处理过程提供宝贵数据支持。

图1：高频管磨机上的“V”及其相关特征（Xiris）

焊接过程中，管材加热速率如果不适中，过快或过慢，都将可能引入焊接缺陷，诸如冻结线、焊缝凹陷，并可能导致过剩材料在焊接压力下被挤出。因此，测量从一个带材边缘至另一边缘（标为B点）的管材温度变化曲线，对于评估管材经过焊盘之后的即时加热程度至关重要。进一步分析这些温度曲线，可以揭示两端带材边缘受热是否均匀，这对于保证焊接质量尤为关键。

从一个带材边缘到另一个边缘的温差可能由阻抗器问题或工作高频感应线圈的设置方式引起。监控这些温度有助于指示潜在的焊接缺陷，比如不匹配或刨削现象。

一旦管材条带边缘汇聚，测量从焊缝顶点（Apex）到挤压点（Squeeze Point）沿焊缝长度（C）的温度冷却速率也极为有用。此区域因无感应电流流通，不会再发生加热，带材边缘与管体其余部分间的高温梯度导致热量迅速散发。若此区域内管焊缝冷却过快，滚轮施压时可能无法正常形成焊缝。

顶点后测量多个点的温度同样有益。通过探测和测量顶点后焊缝上的热点或最高温度（D），制造商能即刻了解到焊接前带材边缘加热的一致性。

在常规管材生产中，随着焊缝上压力的变化，可观察到最高温度点前后移动的现象。

观察挤压滚轮附近管材上的温度分布（E），可以显示焊缝中最高温度的位置，通常这一峰值温度位于焊道中心。然而，其确切位置还能反映出焊缝是否因管子扭曲而产生位移。此外，通过测量焊道形成后紧邻位置的成品焊道温度，可进一步评估焊缝的完整性。

图2：显示V形角度、顶点、热点及其它“V”特性与建议温度测量点的热成像图（Xiris）

总结

在管材生产线上部署热测量系统能够为制造商提供极具价值的新信息来源。Xiris公司研发了Pre-Weld HF检测系统，该系统配备了一款封装于坚固外壳中的短波红外(SWIR)热像仪，能够承受焊头附近恶劣的工作环境。利用这一工具，制造商可获取热数据，从而更加精准地控制焊接过程，最终实现更高质量的焊接成果。

如何为焊接工艺选择 SWIR 和 NIR 红外热像仪？（续2）

哈尔滨维捷 — Sun, 18 Feb 2024 15:44:33 +0000

另一个需要考虑的关键特征是电弧的存在。焊接电弧是一种强大的光源，即使使用高动态范围 (HDR) 传感器也可能使图像饱和。如下图所示，确保相关区域最冷和最热的部分都在摄像机的温度测量范围内，同时避免电弧的饱和，是一项非同小可的任务。

在大多数情况下，近红外摄像机拍摄的图像会被弧光饱和，饱和区域的大小因工艺不同而异。SWIR 红外热像仪能更好地处理电弧：如下图所示，通常很少出现饱和现象。此外，与近红外摄像机相比，使用 SWIR 红外摄像机可以测量到更低的最低温度。

图 3. 喷射金属过渡模式下的 GMAW。近红外（左）和西南红外（右）热图像。注意近红外图像中的饱和度和焊池周围的暗色，但熔池与其周围焊道之间的对比度仍然很好。在 SWIR 图像中，熔池、电弧和冷却焊道清晰可见/可测量。

如图 4 所示，SWIR 的另一个独特功能是能够看穿烟雾。这通常也适用于电弧本身：使用 SWIR 成像技术，电弧的透明度更高，通常可以在此波长范围内的某个点看到电弧（见图 1）。

SWIR 成像生成的图像清晰可见所有必要的特征，如熔池的前缘和后缘、填充焊丝的位置和状态（包括液滴的形成）以及熔池相对于接缝的位置。这些特征在近红外波段可能不可见，因为电弧在这些波段较亮且不透明。

图 4. FCAW-S（自保护药芯焊丝）。近红外（左）和短波红外（右）热图像。注意使用滚动快门拍摄的近红外图像中的饱和度。在使用全局快门拍摄的 SWIR 图像中，熔池和冷却焊道清晰可见/可测量。电弧几乎是透明的。

结论

近红外红外热像仪和 SWIR 红外热像仪是传统的中波红外热像仪和低波长红外热像仪的理想替代品，它们可以高精度测量各种温度。但这两种红外热像仪技术之间也有区别。

在焊接和 WAAM 应用中，为工艺匹配合适的红外热像仪非常重要。如果需要对低于 ~500 °C 的特征进行温度测量，那么 Xiris XIR-1800 等 SWIR 红外热像仪是您工艺的最佳选择。如果您试图避免图像中的电弧饱和，或者烟雾和飞溅是制程中的一个问题，那么 SWIR 红外热像仪也是您的较佳选择。不过，在某些情况下，近红外热像仪（如 Xiris XVC750）可以利用热数据实现基本成像，从而增强对比度。

如何为焊接工艺选择 SWIR 和 NIR 红外热像仪？

哈尔滨维捷 — Sun, 18 Feb 2024 15:22:45 +0000

在当今市场上，由于可供选择的红外热像仪种类繁多，因此为特定工艺选择红外热像仪是一项相当大的挑战。本文中我们将讨论热像仪的各个方面及其在金属热加工应用中的性能，如焊接和丝基金属增材制造。具体而言，我们将比较近红外 (NIR) 和短波红外 (SWIR) 红外热像仪在监控或测量焊接过程温度时的表现。

近红外（NIR）和短波红外（SWIR）摄像机在各种工业应用中越来越受欢迎，成功地与传统的中波（MWIR）和长波（LWIR）红外摄像机竞争。这归功于它们宽广的温度范围、高精度以及通常较低的成本。

近红外摄像机和 SWIR 红外摄像机的另一个优点是，由于不正确的发射率设置而造成的测量误差较小。对于任何类型的红外温度测量，了解要测量温度的热金属表面的发射率至关重要。

不过，发射率值可能因表面状况（纹理、表面氧化等）和温度而异。与中波红外热像仪和长波红外热像仪相比，近红外热像仪和短波红外热像仪的测量受错误发射率值的影响要小 10 倍。因此，它们可以进行精确的非接触式温度测量，适用于恶劣环境下的金属加工应用。

图 1. 低碳钢的 GTAW。近红外热像仪（左）与短波红外热像仪（右）的对比。请注意：(a) 在 SWIR 范围内，电弧的透明度很高；(b) 在 SWIR 中，陶瓷保护气喷嘴的亮度更高（在较低温度下灵敏度更高）；(c) 在近红外图像中，电弧的饱和度较高，并出现一些发花现象。

与中波红外热像仪和低波长红外热像仪相比，近红外热像仪和短波红外热像仪的工作波长范围间隔较近。近红外热像仪的工作波长通常在 800 到 1000 nm 之间，而 SWIR 热像仪的工作波长则在 900 到 1700 nm 之间，这主要取决于其传感器的特性–SWIR 热像仪采用 InGaAs 传感器，而近红外热像仪则采用 CMOS 传感器。

近红外热像仪和 SWIR 热像仪都可应用于焊接过程监控。Xiris 的 XIR-1800 红外热像仪是一款 SWIR 热像仪，已被原始设备制造商、研究人员和最终用户广泛应用于从钢管焊接到电弧增材制造 (WAAM) 等各种金属加工应用中。