中文摘要：

相比于二维传感获得的熔池长度、宽度等信息，熔池三维传感技术所获得的深度信息与熔透状态的关系更直接，对焊接质量控制有更大的意义，同时熔池表面形貌的三维重建也为研究焊接熔池内物理过程的数值分析提供了实验数据。但目前焊接熔池三维重建的研究工作还很少，本课题选择P-GMAW熔池表面形貌的三维重建进行深入研究。由于熔滴过渡导致熔池表面振荡起伏等原因，主动结构光投影技术并不适合本课题研究。在被动视觉中，立体视觉在熔池图像中特征明显的区域可完成可靠立体匹配，而在缺乏纹理特征的区域内精度较差；从阴影恢复形状技术则正好相反。为此本课题提出一种立体视觉和从阴影恢复形状的协作算法，综合利用两种技术的优点，实现熔池完整表面形貌的三维重建。在此基础上，本课题对不同熔透状态下的熔池表面三维特征进行对比分析，并对熔池熔透状态发生变化时的熔池表面形貌瞬态变化的三维特征进行研究，为实现基于三维传感的熔透控制奠定基础。

结论摘要：

相比于二维传感获得的熔池长度、宽度等信息，熔池三维传感技术所获得的深度信息与熔透状态的关系更直接，对焊接质量控制有更大的意义. 分别设计了基于双棱镜和平面镜的两种单摄像机自校正立体视觉系统.试验发现，采用双棱镜系统实现的单摄像机立体视觉系统结构紧凑容易调节，基线距离比平面镜系统小。建立了焊接熔池成像光度学模型，揭示了熔池辐射特性、摄像机曝光敏感特性、滤光片透光特性等多因素对熔池成像的定量影响。结果表明熔池温度越低，使用的滤光片中心波长应该越长。多组不同中心波长窄带滤光片拍摄低碳钢熔池试验结果验证了该模型的正确性，同时试验结果表明在可见光范围内，弧光抑制效果差，熔池表面对弧光的反射起一定作用，但是在近红外波段熔池成像主要依靠热辐射。 针对基于双棱镜的单摄像机立体视觉系统拍摄的P-GMAW基值期间熔池图像对，实现了线特征立体匹配，SSD算法和动态规划立体匹配，获取熔池表面完整的三维形貌。焊接工艺试验结果表明，余高计算值和实测值绝对误差小于0.2mm，相对误差小于3.5%。 开展了堆焊和对接焊接工艺试验，获取了对应于未熔透、熔透和过熔透状态的熔池图像对。未熔透状态下，熔池尾部熔渣面积小而集中，且紧邻凝固线，凝固线形状圆滑，三维重建结果余高大；在熔透状态下，熔池熔渣仍聚集在尾部但是面积较大，凝固线呈V型且三维凸起程度减小；在过熔透状态下，尾部熔渣不再紧邻尾部凝固线，熔池表面有分散熔渣，尾部凝固线三维重建结果低于工件表面。从浮渣流动形态和凝固线的三维特征变化可以初步判定熔透状态的变化。