高速摄像与电流电压同步诊断技术在电弧焊接与增材制造过程中的应用研究进展

大湾区经济网深圳7月2日讯，近日，第三十次全国焊接学术会议在深圳召开。会议以“焊接基础理论—先进制造工艺—智能化与数字化检测”为主线，系统展示了焊接制造领域从经验驱动工艺优化向多物理场耦合机理建模的转型趋势。在电弧焊接、激光复合焊接及增材制造过程中，熔滴过渡、熔池流动及电弧等离子体演化均具有典型的毫秒至微秒级瞬态特征，传统低帧率观测手段难以满足机理解析需求。

此背景下，以千眼狼（Revealer）高速摄像机（S1315 / NEO25）为核心的高时间分辨成像技术，结合焊接电流电压同步采集系统，构建了“形貌演化—电信号响应—工艺参数”三维同步观测框架，为焊接过程的可视化与定量分析提供了实验基础。

一、CMT增材焊接：短路过渡动力学的时序解析

在CMT增材焊接研究中，天津大学研究团队采用千眼狼（Revealer）S1315高速摄像机在全画幅10,000 fps采集帧率下，对熔滴短路-回抽-再引燃的瞬态周期过程进行连续记录，通过对高速摄像机采集的视频图像逐帧分析，CMT熔滴过渡周期可分为“熔滴回抽”、“液桥颈缩”、“熔滴分离”三个阶段，CMT熔滴周期、熔滴尺度、熔滴分离速度等参数可通过高速摄像机捕捉的序列图像进行量化分析，指导送丝速度、回抽幅度、电弧能量参数的精确匹配，解决增材成形精度与性能一致性问题。

图-使用千眼狼（Revealer）S1315以1280×1024@10,000 fps捕捉CMT增材焊接中熔滴回抽-液桥颈缩-熔滴分离瞬态过程

二、激光-电弧复合焊接：匙孔振荡与电弧耦合调制机制解析

在大连交通大学激光电弧复合焊接实验中，系统同时存在10 kW激光深熔作用与8 kW电弧热输入，两种热源共同作用导致熔池与匙孔系统呈现强耦合振荡行为。

由于等离子体与电弧弧光叠加，传统光学观测极易出现饱和与过曝。通过窄带滤光与10,000 fps成像组合，可分辨匙孔振荡与熔滴注入过程。实验表明，匙孔周期性塌陷与电弧电压波动之间存在可重复的同步特征，提示复合热源之间存在动态反馈调制机制。高速摄像机在该过程中提供了匙孔塌陷、飞溅生成与熔池回流结构的直接时序证据。

图-使用千眼狼（Revealer）S1315以1280×1024@10,000 fps捕捉激光电弧复合焊接中熔滴过渡过程和熔池动态行为

三、氩弧焊：弧柱辐射特征的稳定性表征方法

在一项氩弧焊实验研究中，成像策略并非完全抑制弧光，通过保留一定强度的弧柱辐射信息，实现对电弧状态的结构化表征。高速摄像结果显示，弧柱形态可通过以下特征量进行描述：

弧柱收缩程度，反映能量集中程度

弧柱摆动幅度，反映电弧稳定性

弧光非对称扩展行为，对应偏弧或磁吹效应

间隙性亮度中断，对应断弧风险

实验进一步表明，高速摄像机的时间分辨能力使得弧柱“拉伸-漂移-断裂前兆”结构变化得以可视化呈现，与电压高频波动具有同步特征，从而电弧稳定性经验判断转化为图像特征量化识别。

图-使用千眼狼（Revealer）S1315以1280×1024@10,000 fps观测氩弧焊弧光特征

四、TIG增材焊接：熔池自由液面振荡与颗粒增强效应观测

在西安石油大学TIG增材实验中，使用千眼狼（Revealer S1315）高速摄像机重点研究铝合金熔丝增材过程中颗粒（TiC、TiB2等）对熔池流动结构的增强机制。

高时间分辨成像显示，颗粒加入后熔池由典型Marangoni对流转变为局部扰动增强流动模式，并伴随自由液面非对称振荡增强。颗粒在熔池中的迁移路径与界面捕获行为，为后续凝固组织形成机制提供了直接观测依据。

图-使用千眼狼（Revealer）S1315 以1280×1024@5,000 fps捕捉颗粒在熔池中的滞留、迁移与界面捕获行为

五、激光点焊微尺度过程：匙孔动态与散斑抑制条件下的结构解析

一家精密互联与汽车电子企业激光点焊实验中，1~5 mm微尺度熔池系统对成像提出极高要求。通过微距光学系统与多级增距镜组合，千眼狼（Revealer）NEO25在40,000 fps条件下实现对匙孔开闭行为的连续捕捉。同时，通过反射抑制策略降低激光散斑干扰，使熔池边界与匙孔轮廓得以稳定识别。

高速摄像结果表明，匙孔瞬态塌陷行为与高能飞溅事件存在直接对应关系，高时间分辨成像对缺陷形成起始阶段具有关键识别能力。

图-使用千眼狼（Revealer）NEO25 以ROI下40,000 fps捕捉激光点焊下熔池过渡细节以及熔池凝固过程

六、电流电压同步诊断：电弧能量输入的动态表征

宁夏大学电弧焊接实验中，通过4000 fps高时间分辨成像与电流/电压信号同步采集，建立“电弧形态-电信号-熔滴行为”映射关系。结果表明：

电流上升对应熔滴加速生成阶段

电压波动反映电弧长度变化与通道不稳定性

熔滴脱离瞬间对应电信号尖峰响应

该方法为焊接过程在线监测与闭环控制提供了基础数据支撑。

图-使用千眼狼（Revealer）焊接电流电压同步采集系统观测电流电压数值调节下熔滴状态的演化

结语

第三十次全国焊接学术会议相关研究表明焊接过程诊断正从结果分析向过程机理解析转变。以千眼狼（Revealer）高速摄像机为核心的多源同步诊断技术，正在成为连接电弧物理过程与电信号响应机制的重要实验基础设施，为复杂焊接过程的可解释建模与智能控制提供支撑。