CN101391344A - 一种激光焊接过程稳定性实时监测方法 - Google Patents

Abstract

一种激光焊接过程稳定性实时监测方法，首先在激光焊接初始稳定阶段内，采集熔池的红外光信号，对其分析获得熔池的热辐射当量，计算熔池热辐射当量的平均值，再计算辐射当量偏差，然后确定熔池稳定范围，在激光后续焊接过程中周期采集熔池的红外光信号，计算熔池在单个周期内热辐射当量的平均值，将其与熔池稳定范围比较，以判断熔池稳定性。本发明直接表征激光焊接的本质特征，提高了监测的准确性。

Description

一种激光焊接过程稳定性实时监测方法

技术领域

本发明涉及激光焊接过程监测技术领域，特别是涉及对激光焊接过程稳定性实时监测的方法。

背景技术

激光焊接过程中质量稳定性的监测和控制一直是激光焊接的一项重要研究内容，而控制焊接质量稳定性的最有效的方法，是深入研究激光焊接过程中不稳定性产生的本质原因，并在此基础上选择能够维持焊接稳定性的工艺参数，同时通过实时识别监测造成不稳定过程的特征量，在过程中适当调整部分参数来控制结构焊接时的全程稳定性。激光焊接中的不稳定性大大危害到焊接结构的力学性能，成为航空结构裂纹断裂等严重现象产生的潜在危险源。因而激光焊接过程的稳定性控制具有非常重要的意义。

在深入研究激光焊接过程质量稳定性本质特征的基础上，我们要关注的问题是如何识别和监测这种稳定性。目前从激光焊接过程特征来研究过程不稳定性，主要集中在对金属蒸气/等离子体行为的研究，利用声光信号监测来分析金属蒸气/等离子体声光信号的变化，进而通过特征信号进行不稳定性的监测。如N.F.F.Willmott等人发现了较低功率密度条件下的焊缝熔深波动现象，他利用斜板进行试验，发现随焦点位置的变化，检测到的声发射信号有所变化，并在此时出现熔深波动，他认为这种不稳定与金属蒸气/等离子体相关。1994年，Berned Seidel在实验报告中报导了高功率密度条件下，进行连续激光焊接时，产生的焊缝熔深波动的现象，并认为功率密度和保护气体对金属蒸气/等离子体及焊接过程稳定性有很大影响，并通过对金属蒸气/等离子体的控制获得了熔深稳定的焊缝。张旭东等人在有关CO2激光焊稳定性机理的研究中，发现模式不稳定焊接过程可以在检测出的金属蒸气/等离子体电荷信号、光信号、声信号中获得反映。

单纯利用金属蒸气/等离子体信号的变化来识别和监测稳定性，必须借助于神经元网络等运算法则，该方法与焊接过程中的小孔熔池等没有直接的关系，更多是借助于金属蒸气/等离子体特征，而在实际焊接中，金属蒸气受保护气体种类、流量，以及材料成份的影响非常大，且不能直接表征激光焊接的本质特征，如激光焊接熔池和热循环这些与焊接质量稳定性密切相关的特征，因而这为监测结果带来很大不确定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光焊接过程稳定性实时监测方法，提高监测的准确性。

一种激光焊接过程稳定性实时监测方法，按照以下步骤进行：

(1)在激光焊接初始稳定阶段内，采集熔池的红外光信号，对其分析获得熔池的热辐射当量；

(2)计算步骤(1)获得的熔池热辐射当量的平均值Em；

(3)计算辐射当量偏差ΔE＝Em*ρ，ρ为辐射当量偏差系数；

(4)确定熔池稳定范围W：Em-ΔE≤W≤Em+ΔE；

(5)在激光后续焊接过程中周期采集熔池的红外光信号，计算熔池在单个周期内热辐射当量的平均值Fm，将其与熔池稳定范围W比较，若平均值Fm在熔池稳定范围W内，则熔池稳定，否则，熔池不稳定；

所述辐射当量偏差系数ρ＝ΔE_r/Em_r，当量偏差参考值ΔE_r＝Max(Emax_r-Em_r，Em_r-Emin_r)，熔池稳定时熔池面积最大对应的辐射当量Emax_r、熔池稳定时熔池面积最小对应的辐射当量Emin_r和熔池稳定时热辐射当量的统计平均值Em_r均依照二维温度场图片，按照下式计算：

$E={\&Integral;M}_{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\left(T\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;ds},$ 其中，1.1μm<波长λ₀<3μm，M_λ0(T)是依据普朗克定律当温度为T、波长为λ₀时对应的单色辐射强度，s为熔池的面积，Δλ为单色波的带宽；

所述二维温度场图片按照下述方法获取：获取焊接过程中熔池稳定阶段的多幅熔池图片，将其转换成灰度图；利用已有的灰度-温度标定曲线将灰度图转换成二维温度场图片。

本发明对激光焊接熔池进行两种测量与分析，即熔池的图像分析和它的热辐射监测。利用红外光信号响应速度快测量范围广的特点获得实时的熔池热辐射当量值，判断和监测小孔熔池的稳定性；而利用小孔熔池的热像图分析计算熔池辐射当量，以确定稳定性的判断值。本发明直接表征激光焊接的本质特征，提高了监测的准确性。

附图说明

图1为本发明步骤流程图。

图2为熔池温度场示意图。

具体实施方式

图1为本发明步骤流程图，首先启动系统，然后进入参数设置模块，包括时间长度t1、t2、t3、摄像机相关参数、辐射当量偏差系数ρ等。参数设置完毕后，启动焊接设备，同时开始红外信号采集。

工件开始焊接时，信号会突然变大，若信号超过预先设置的阈值，则认为焊接开始。

将焊接开始后首先采集的t1时段数据丢弃。t1的长度是焊件走过一个熔池长度需要的时间，典型的304不锈钢激光焊接熔池的长度约5mm。

采集t2长度数据，t2的长度是焊件走过1～2个熔池长度需要的时间。在系统继续采集信号的同时，对t2长度数据进行分析。数据分析包括滤除干扰信号的低通滤波，计算均值、辐射当量偏差及熔池稳定的阈值范围W。

计算完毕后等待信号采集时间长度达到t3秒，t3秒焊接的长度即系统能够分辨的不稳定焊接长度，即监测周期。在系统继续采集信号的同时，对t3长度数据进行分析。数据分析包括与前边同样参数的低通滤波和均值计算。监测周期的长度根据实际焊接情况确定，应保证最小监测周期长度内的焊接过程不稳定不至于影响焊缝的质量。

然后利用均值判断焊接是否结束。在焊接结束时，信号会突然变小，若信号低于预先设置的阈值，则认为焊接结束，关闭焊接设备、停止监测系统。

若焊接没有结束，则判断均值是否落在焊接稳定区域W内，在其中则焊接稳定，不在其中则焊接不稳定。

若焊接稳定，则系统继续后面的监测工作；若焊接不稳定，则系统报警后再继续后边的监测工作，直至整条焊缝焊接完毕。

所述辐射当量偏差系数ρ按照以下方式获取：

获取焊接过程中熔池稳定时的多幅熔池图片，将其转换成灰度图。同样的灰度对应的温度应相等，由此得到的304不锈钢熔池温度场示意图如图2所示。其中的实线为等温线，熔池以焊缝为轴上下基本对称分布，中心处为熔池匙孔，熔池温度以匙孔为中心向四周很快下降。

在匙孔部分，主要由金属蒸汽与等离子体构成，因此，其温度为金属蒸汽的温度。在这个区域，由于图片三原色值都已经达到饱和，无法在可见光范围内来分析其颜色特性，该区域蒸汽运动剧烈，可认为温度相等。采用光学高温计和热电偶沿对称轴线测定熔池温度，这样就可得到图片的灰度-温度标定曲线。利用标定曲线将灰度图转换成二维温度场图片。

利用公式 $E={\&Integral;M}_{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\left(T\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;ds}$ 计算波长为λ₀的熔池的辐射当量，其中S为熔池的面积，Δλ≈10nm为单色波的带宽，λ₀≈1.55μm。

将熔池稳定时连续拍摄的多幅熔池的辐射当量计算平均值Em_r、熔池面积最大时对应的辐射当量为Emax_r、熔池面积最小时对应的辐射当量为Emin_r。

计算辐射当量偏差参考值ΔE_r＝Max(Emax_r-Em_r，Em_r-Emin_r)；

计算辐射当量偏差系数ρ＝ΔE_r/Em_r。

Claims (1)

1、一种激光焊接过程稳定性实时监测方法，按照以下步骤进行：

(1)在激光焊接初始稳定阶段内，采集熔池的红外光信号，对其分析获得熔池的热辐射当量；

(2)计算步骤(1)获得的熔池热辐射当量的平均值Em；

(3)计算辐射当量偏差ΔE＝Em*ρ，ρ为辐射当量偏差系数；

(4)确定熔池稳定范围W：Em-ΔE≤W≤Em+ΔE；

(5)在激光后续焊接过程中周期采集熔池的红外光信号，计算熔池在单个周期内热辐射当量的平均值Fm，将其与熔池稳定范围W比较，若平均值Fm在熔池稳定范围W内，则熔池稳定，否则，熔池不稳定；

所述辐射当量偏差系数ρ＝ΔE_r/Em_r，当量偏差参考值ΔE_r＝Max(Emax_r-Em_r，Em_r-Emin_r)，熔池稳定时熔池面积最大对应的辐射当量Emax_r、熔池稳定时熔池面积最小对应的辐射当量Emin_r和熔池稳定时辐射当量的统计平均值Em_r均依照二维温度场图片，按照下式计算：

E＝∫M_λ0(T)Δλds，其中，E为辐射当量Emax_r或辐射当量Emin_r或辐射当量平均值Em_r，1.1μm<波长λ₀<3μm，M_λ0(T)是依据普朗克定律当温度为T、波长为λ₀时对应的单色辐射强度，s为熔池的面积，Δλ为单色波的带宽；

所述二维温度场图片按照下述方法获取：获取焊接过程中熔池稳定阶段的多幅熔池图片，将其转换成灰度图；利用已有的灰度-温度标定曲线将灰度图转换成二维温度场图片。

Images