CN101396769B - 定位格架的焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位格架的焊接设备及方法，具体地说涉及在焊接作业过程中，拍摄焊点影像，并根据上述影像准确掌握焊点位置，从而进行精密焊接的焊接设备及方法。本发明涉及的激光焊接设备包括：脉冲激光发生器、伺服电机、光束分离器、摄像传感器及焊接控制装置。由于本发明组成具有上述特征，因此本发明在焊接激光处于“关闭”状态时拍摄焊点的影像，并与焊接作业并行完成，因此能够缩短焊接作业所需的启动时间，从而提高工作效率。此外，本发明涉及的焊接方法在焊接作业途中提供拍摄的影像，能够即时确认焊接状态，无需完成作业后确认焊接状态，从而提高了整体工作效率。本发明同时还能最大限度地从拍摄的影像中消除热点造成的影像失真现象。

Description

定位格架的焊接设备

技术领域

本发明涉及定位格架的焊接设备，具体地说涉及在焊接作业过程中，拍摄焊点影像，并利用上述影像准确掌握焊点位置，从而进行精密焊接的焊接设备。

背景技术

近来，用于支撑并固定核燃料的定位格架，主要如韩国专利申请第10-1983-0004399号所公示，主要将长锆板纵横交错后，焊接成格子形状而成。具体说明为，每块板上都形成了槽，能够收容相互直角交叉的板，通过相互结合方式固定这些槽后，对直角交叉的板块的交点进行焊接，形成定位格架。

定位格架制造上的缺陷由组成定位格架的板块材料缺陷、焊接板的固定缺陷、焊接时激光缺陷及焊接作业过程中将定位格架的组分固定的固定带的固定缺陷等多种原因综合作用造成，并以定位格架的焊接缺陷形式体现。

针对上述各种原因，有多种方法能够将定位格架焊接缺陷降低到最小程度，其中，为最小化焊接缺陷，最重要的是事先准确找到焊接时成为焊点的交叉板块的交点进行焊接，完成作业后准确掌握焊接后的焊接状态，对焊接不合格的部分进行重新焊接。特别是，组成定位格架的板块上为了插入交叉的板块而形成的槽，在相互插入时仍有一定的公差，从而使整体焊点形成得不规则，出现些许误差，因此事先掌握准确的焊点位置就显得尤为重要。

为了防止这样的焊接缺陷，近来在焊接作业前拍摄定位格架的影像，事先掌握整体焊点后实施焊接作业，之后以手工作业确认焊接状态后，对焊接状态不合格的定位格架重新进行焊接作业。

但是，上述方法不仅在进行定位格架焊接作业前需要消耗很长的时间，而且对焊接时出现的瑕疵也不能即时处理，从而降低了工作效率。

另一方面，与一般电弧焊不同，定位格架需要进行激光焊接，温度达到3000摄氏度以上，比电弧焊高得多。因此，为了缩短焊接作业所需时间，在焊接作业途中或焊接结束后立即拍摄定位格架影像时，则会因为上述高温使影像出现热点现象，从而很难判别影像。即，为了提高定位格架焊接作业效率，需要有相关辅助技术，能够从焊接途中或焊接结束后立即拍摄的影像中消除热点或使其最小化。

发明内容

本发明为解决上述问题而提出，其目的是提供与焊接作业并行地获得定位格架影像，从而能够即时确认焊接后的焊接状态，判断是否需要重新焊接的焊接设备。

本发明目的还在于提供即使与焊接作业并行地拍摄定位格架的影像，也能够最小化热点现象的焊接设备。

为达到上述目的，本发明涉及的用于对定位格架进行焊接的焊接设备是激光焊接设备，该设备包括：脉冲激光发生器、伺服电机、光束分离器、摄像传感器及焊接控制装置。

伺服电机能够在X-Y平面上移动上述脉冲激光发生器。

光束分离器能够从上述激光发生器产生的激光光路中分离出从定位格架的焊接部反射的反射光的光路。

摄像传感器在上述脉冲激光发生器处于“关闭”状态时，能够接收到从定位格架的焊点反射并被上述光束分离器分离出来的光，从而检测并保存定位格架的影像。

焊接控制装置中保存了焊点的位置信息和各焊点的焊接顺序，能够控制摄像传感器拍摄定位格架的影像，并从上述摄像传感器接收该影像，计算出下一个焊点的准确位置，对上述焊点位置信息进行修正，根据计算出的坐标值控制伺服电机，使上述脉冲激光发生器能够准确校准下一个焊点。

此外，本发明涉及的激光焊接设备还可以包括焊接状态判别装置。上述焊接状态判别装置将从上述摄像传感器传送的定位格架影像与焊接状态相关的图像分析数据库进行比较，从而判别焊接部分的焊接状态。

此外，当本发明涉及的激光焊接设备的焊接控制装置从上述焊接状态判别装置接收到前一个焊接部位焊接不合格的判定信号时，会将上述焊点重新列入焊接对象。

此外，本发明涉及的激光焊接设备还可以包括衰减滤波器。衰减滤波器能够将定位格架反射的反射光的强度降低到照相机能够识别的程度后传递给摄像传感器。

此外，本发明涉及的激光焊接设备还可以包括带通滤波器。带通滤波器能够在定位格架反射的反射光中选择性地只让波长在770nm-790nm范围内的光线透过，并传递给摄像传感器。

不仅如此，本发明涉及的激光焊接设备的摄像传感器在上述脉冲激光发生器处于“关闭”状态的时间内，只在低温区间接收定位格架的焊接部反射的光线，从而检测并保存定位格架影像。

另一方面，本发明涉及的激光焊接设备的摄像传感器在脉冲激光发生器处于“关闭”状态的时间内进行连续拍摄，从中只对热点造成的失真现象低于基准值的相应帧进行接收及保存。

由于本发明的组成具有上述特征，本发明涉及的焊接方法能够缩短焊接作业所需的启动时间，从而提高工作效率。

此外，本发明涉及的焊接方法在焊接作业途中提供拍摄的影像，能够即时确认焊接状态，无需完成作业后确认焊接状态，从而提高了整体工作效率。

本发明在定位格架焊接过程中，在热点造成的影像失真现象最小时期拍摄影像，同时还能最大限度地从拍摄的影像中消除热点造成的影像失真现象。

附图说明

图1是本发明涉及的激光焊接设备的整体结构模块图；

图2是本发明除伺服电机以外的焊接部示意图；

图3是热点发出的光谱按波长分布表示的曲线；

图4是脉冲激光的振幅随时间变化表示的曲线；

图5是焊点温度随脉冲激光变化的曲线；

图6是焊点的理论位置的示意图；

图7是焊点的实际位置的示意图。

附图标记

5：焊接部             20：摄像传感器

21：衰减滤波器        22：带通滤波器

40：控制部            41：焊接控制装置

42：焊接状态判别装置。

具体实施方式

下面参照附图对本发明实施例进行说明。

实施例1

参照图1，本实施例涉及的激光焊接设备大体可以分为控制部40和焊接部5。

首先，参照图1及图2对焊接部5进行说明。

焊接部5在由伺服电机、脉冲激光发生器、校准透镜及聚焦透镜组成的公知的激光焊接设备的基础上，还包括光束分离器、摄像传感器、衰减滤波器及带通滤波器。

伺服电机如以往所述能够在X-Y平面上移动焊接部5。

另一方面，在定位格架焊接过程中，为了充分确保焊接深度、防止焊接缺陷，激光需要使用如图4所示的“开启”状态和“关闭”状态交替的脉冲激光。为方便起见，本实施例的激光假定使用定位格架焊接中使用的频率为15Hz的脉冲激光。这样，脉冲激光的周期约为70ms，其中，脉冲开启时间约为7ms，关闭时间约为63ms。

脉冲激光发生器10中产生激光后，通过光纤11、校准透镜30、光束分离器32及聚焦透镜31将激光照射到焊点。

此时，光束分离器32将从上述脉冲激光发生器产生的激光光路中分离出定位格架焊接部反射的反射光的光路。为了分离照射激光和焊点的反射光的光路，光束分离器32可以使用冷光镜或热光镜。对于图2所示的情形，采用了冷光镜作为光束分离器，冷光镜使激光直接透过，而焊点反射的光则被反射回去，将光路改变到摄像传感器20侧。

被定位格架焊接部反射并通过上述光束分离器32分离光路的光首先通过过滤层，本实施例中过滤层由衰减滤波器21和带通滤波器22组成。

衰减滤波器用于整体降低透射光的强度，如上所述，由于定位格架焊点温度很高，因此反射光强度很大，而衰减滤波器的作用就是将透射光的强度降低到摄像传感器20能够识别的程度。

另一方面，载有定位格架影像信息并能够被肉眼或照相机识别的波长范围是包括可见光和部分红外线在内的500nm-800nm。图3所示为焊接过程中或焊接作业刚刚结束时焊点的热点产生的光谱按波长分布表示的曲线，从图中可以看出，大约在780nm波长附近，其透射率最小。相关准确数值会随着焊接对象-定位格架的材质不同而有所变化，对于近来主要使用的定位格架材料-锆合金而言，激光焊接过程中具有最小透射率的波长为780nm。透射率高的波长区域说明焊点的热点发出的信号较强。这同时也表明热点的影像失真大小，因此，使CCD摄像机获得失真影像的概率也相应较高。因此，如果只关注透射率较小的波长，将能够获得没有失真的最接近实际情形的影像。

即，如果只选择使用780nm波长，将能够最大程度地消除焊接时焊点发出的红外线及不必要的噪声，从而使热点造成的失真现象最小化，得到最接近实物的定位格架影像。出于这个目的，带通滤波器230将只选择透过波长在770nm-790nm范围内的光线。虽然只让780nm波长的光线透过效果最佳，但考虑到机械结构及实际组成中的误差等因素，从而选择了以上范围。

下面，参照图2及图5对摄像传感器20进行说明。

通过过滤层的光线将照射到摄像传感器20。摄像传感器20将会在上述脉冲激光发生器10的关闭时间(参照图3)内将抵达摄像传感器20的光线作为影像保存。如图5所示，定位格架温度在脉冲激光发生器10刚要进入开启时间时显示为最低值。因此，最好是能够在刚要进入开启时间时保存影像，但考虑到机械反应速度等因素，一般在关闭时间末期的大约与25％的关闭时间相当的17ms(以下，定义为低温区间)内保存影像。

下面参照图1对控制部40进行说明。

控制部40由焊接控制装置41和焊接状态判别装置42组成。控制部40可以通过结合具有下述功能的软件和能够运行上述软件的一般计算机系统或焊接作业专用的计算设备来实现。

概括而言，焊接控制装置41是总体控制焊接部5整体运行的部分。即，焊接控制装置41中保存了焊点的位置信息和各焊点焊接顺序，能够控制伺服电机9，按焊接顺序移动焊接部5，并调节激光的开启或关闭时间。此外，还控制摄像传感器20在激光关闭时间范围的低温区间内拍摄定位格架影像。

焊接作业前保存在焊接控制装置41内的各焊点的位置(WP)，理论上应该如图6所示，正确形成在组成定位格架1的各板块的交点上。但是，组成定位格架1的各板块为了能够相互交叉插入，形成了一定间隔的槽，由于这些槽的公差和其它各种物理原因，焊点位置如图7所示，将会与实际焊点沿Y轴有YG的误差，且沿X轴有XG的误差。

为了修正上述实际存在的误差，焊接控制装置41在从摄像传感器20接收到拍摄的影像后，就会计算出焊点的准确位置，对焊接控制装置41内保存的焊点位置信息进行修正，并根据修正后的坐标值，控制焊接部5进行焊接作业。

另一方面，如果焊接控制装置41接收到后述的焊接状态不合格的信号，就会将相关不合格焊点位置重新编入焊接对象列表，对其重新进行焊接。

焊接状态判别装置42用于确认已焊接部分的焊接状态。焊接状态判别装置42将从拍摄传感器20传送的定位格架图像中检测拍摄前焊接部分的焊接状态。焊接状态判别装置42包括存有与各种缺陷原因对应的图像数据的数据库，通过将拍摄的影像与数据库中保存的焊接缺陷图像进行比较，实现焊接状态判别功能。当判定焊接状态不合格时，将向焊接控制装置41发送焊接不合格信号。

实施例2

实施例2与实施例1相比，差别主要在于摄像传感器20的影像获取方式。

对于实施例1，只在低温区间(关闭时间的最后17ms区间)内保存影像，但实施例2则在整个关闭时间内连续拍摄影像，并检测热点造成的影像失真程度，将其中失真程度低于基准值的帧作为影像保存。

以上对本发明优先实施例进行了说明，但本发明技术思想并不局限于上述优选实施例，在不脱离权利要求范围具体列出的本发明技术思想的范畴内，可以体现为多种形式的能够掌握准确位置并进行精密焊接的焊接设备及方法。

Claims (5)

1.一种定位格架焊接设备，其特征是，该定位格架焊接设备是具有脉冲激光发生器、校准透镜及聚焦透镜的用于对定位格架进行焊接的激光焊接设备，该焊接设备还包括：伺服电机、光束分离器、衰减滤波器、带通滤波器、摄像传感器、焊接控制装置；其中，所述伺服电机用于在X-Y平面上移动所述脉冲激光发生器；所述光束分离器用于从所述脉冲激光发生器产生的激光光路中分离出从定位格架的焊接部反射的反射光的光路；所述衰减滤波器用于将定位格架反射的反射光的强度降低到照相机能够识别的程度；所述带通滤波器用于在定位格架反射的反射光中选择性地只让波长在770纳米-790纳米范围内的光线透过；所述摄像传感器在所述脉冲激光发生器处于关闭状态时，能够接收到从定位格架的焊点反射并被所述光束分离器分离出来的经过所述衰减滤波器降低强度并通过所述带通滤波器选择的光，从而检测并保存定位格架的影像；所述焊接控制装置中保存了焊点的位置信息和各焊点的焊接顺序，能够控制摄像传感器拍摄定位格架影像，并从所述摄像传感器接收影像，计算出下一个焊点的准确位置，对所述焊点位置信息进行修正，根据计算出的坐标值控制所述伺服电机，使所述脉冲激光发生器能够准确校准下一个焊点。

2.根据权利要求1所述的定位格架焊接设备，其特征是，该焊接设备还包括焊接状态判别装置，该焊接状态判别装置用于将从所述摄像传感器传送的定位格架影像与焊接状态相关的图像分析数据库进行比较，从而判别焊接部分的焊接状态。

3.根据权利要求2所述的定位格架焊接设备，其特征是，当所述焊接控制装置从所述焊接状态判别装置接收到前一个焊接部位焊接不合格的判定信号时，将所述焊点重新列入焊接对象。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的定位格架焊接设备，其特征是，所述摄像传感器在所述脉冲激光发生器处于关闭状态的时间内，只在低温区间接收定位格架的焊接部反射的光线，从而检测并保存定位格架影像。

5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的定位格架焊接设备，其特征是，所述摄像传感器在所述脉冲激光发生器处于关闭状态的时间内进行连续拍摄，从中只对热点造成的失真现象低于基准值的相应帧进行检测及保存。

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