一种焊缝宏观金相图像观察与记录装置的设计与应用

■ 王鹏，高斌，仲积峰，王晓波

1. 概述

焊接技术在轨道车辆的生产中应用非常广泛，为了保证焊接质量，需要进行大量的焊接培训、焊接试验工作，通过制备焊接试样宏观金相，检验焊缝的熔合情况，从而判断焊缝是否合格；之后对合格试样进行拍照记录，作为焊工操作技能或焊接试验结果的证明材料。

通常情况下，宏观金相试样数量大、生产周期紧，由于没有合适的拍照装置，使用普通相机所获得的照片质量差、规格不统一、试样编号与图片不能直观的进行对应，给后续资料整理工作带来困难。如何获取焊缝清晰、规格统一、画面美观的宏观金相照片，又能迅速完成焊缝宏观金相照片的拍照、保存、编号等步骤，并分类保存在计算机里成为了亟待解决的问题。

2. 设计制作焊缝宏观金相图像观察与记录装置

本设计方案首先要解决在不受环境光线亮度的影响下，随时获取焊缝清晰、规格统一、画面美观的宏观金相照片；其次迅速完成焊缝宏观金相照片的拍照、保存、编号等步骤，并分类存储在计算机里，方便后续的文档编辑工作。为解决上述的技术难题，该装置进行了以下四个方面功能设计。

（1）建立拍照系统 为了实现在不受环境光线亮度不足的影响下，随时获取焊缝清晰的照片，选择使用佳能单反相机作为拍照主体，使用专门选定匹配的微距镜头，在照相机镜头前端通过转换圈加装环形LED闪光灯，形成微距拍照灯环。通过闪关灯控制器供电，亮度可以无极调节，多挡亮度快捷输出，根据环境光线亮度调节闪光灯亮度，可以实现在低亮度的环境下进行拍照工作，还原物体本色，具体结构如图1所示。

（2）建立照相机位置调节系统 该装置可以根据不同型号的佳能单反相机和镜头调节拍照的位置，实现焊缝宏观金相照片的最佳构图，增加拍照过程中的稳定性，获得统一、美观的照片。其主要结构及工作原理如下：

图1

第一，左右调节：以底座为固定基座，底座杆为旋转体在底座套筒内进行左右调节，设置底座套筒固定旋钮进行锁紧。

第二，前后调节：横向丝杆端部固定在底座杆的上部，并在横向丝杆一侧开直线导向槽，当旋转横向调节旋钮时，横向稳定套筒一起沿着导向槽前后移动，当调节到合适位置时利用横向固定套筒上的横向固定旋钮锁紧。

第三，上下调节：纵向稳定套筒与横向稳定套筒通过连接座进行连接，两者相互垂直。纵向丝杆一侧开直线导向槽，当旋转纵向调节旋钮时，纵向丝杆通过导向槽在纵向稳定套筒内上下移动，当调节到合适位置时利用纵向固定套筒上的纵向固定旋钮锁紧。具体结构如图2所示。

（3）建立载物台系统 载物台系统的主要结构及工作原理：载物台为宏观试件的防止平台，其前端设置了横向与纵向的刻度尺，刻度尺可以在卡槽内左右移动，调节标尺位置；载物台的后端设置了底色板作为拍照背景，具体使用的色彩可以根据实际需要进行更换；载物台底部与横向滑块相连接，横向滑块可以沿着导向杆滑动，实现整改载物台的位置调节。当照相机与标尺的相对位置固定以后，批量拍摄的图片规格可以实现统一。

（4）实现计算机控制拍照功能 利用E0S Utility拍照软件来控制相机的拍照过程。只需要通过鼠标点击焊缝处对焦，在点击拍摄按钮便可完成拍摄。一次性完成焊缝宏观金相照片的拍照、保存、编号等步骤，并分类存储在计算机里，方便后续的文档编辑工作。具体结构如图3所示。

最后根据设计要求制作焊缝宏观金相图像观察与记录系统装置，具体如图4所示。

图2 照相机位置调节系统

3. 焊缝宏观金相图像观察与记录系统的应用

（1）焊缝宏观金相图像观察与记录系统 首先，准备过程：①开启相机并打开拍照软件。②通过软件窗口画面调整三维调节系统，将相机镜头调节到合适的位置。③打开闪光灯控制器，根据环境光源亮度调节闪光灯亮度。④新建照片文件夹并设置为拍照软件保存路径，如附表所示。

其次，拍照过程：①将焊缝宏观金相试样放入载物台上。②在拍照软件窗口用鼠标双击焊缝区域进行对焦并进行拍照。③打开照片文件夹，将照片文件名修改为试件编号。

整个过程只需要设置一次，后续拍照只需放置试样、点击鼠标对焦、拍照、保存、编号即可，在进行大批量宏观金相拍照时，可以获得规格统一、清晰、美观的照片。

图3 构思思路、设计原理

图4 制作完成后的效果

（2）焊缝宏观金相时时观察 通常情况下需要借助放大镜或显微镜，在车间现场使用这些工具和设备并不直观，也不利于培训老师对学员进行深入的讲解。而使用本系统，可以非常简便的进行现场安装与演示，不需要专业技能培训。通过电脑屏幕或连接投影仪进行现场演示，只需点击鼠标即可对焊缝宏观试样进行放大，很容易观察焊缝的细节。如图5所示，通过鼠标拖动图片，可以观察任意位置，使用非常方便。

（3）焊接工作试件记录改善 根据《轨道车辆和车辆部件的焊接-第四部分：生产要求》（EN15085-4）第4.2条规定，工艺人员需要对部分接头进行工作试件制作，已验证结构设计、焊缝检验、工艺方法及焊工技能等，合格后需要出具“焊接工作试件记录”报告，焊缝宏观金相照片为该报告内容中非常重要的项点，通过本系统拍照所获得的宏观照片可以做出非常规范的“焊接工作试件记录”报告。

图5 拍摄软件实时画面（对焦点放大图像）

4. 结语

（1）提高图片质量 改善后可以不受环境光线亮度的影响，随时获取焊缝清晰、规格统一、画面美观的宏观金相照片，所编制的焊接工作试件报告标准、美观。

（2）观察焊缝细节 在拍照过程中可对任何区域进行放大后进行观察（最大可以放大20倍），及时掌握焊缝细节，帮助工艺和培训人员做出准确的判断，同时可以为操作人员直观的感受焊缝断面形态，实现了焊缝断面分析功能。

（3）提高工作效率 可以在计算机上控制拍照过程，一次性完成焊缝宏观金相照片的拍照、保存、编号等步骤，并分类保存在计算机里。采用本系统后，从以前的两人操作，变为一人操作，整个过程操作简单，任何人均可以顺利完成。

（4）降低劳动强度 减轻工作人员的劳动强度，废除了繁琐而不愉快的工作过程，操作简单，极大地提高工作效率。