CN101416044A - 用于在线检测钢带焊接部分的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种针对钢带焊缝的在线检测系统和方法，其能够发射激光束到高速运动的钢带表面上，并且测量反射回来的激光束的反射率，从而很容易地在线检测所述钢带焊缝。在该在线检测系统中，反射率测量装置将激光束发射到移动着的钢带上，并且持续测量从所述钢带表面上返回的激光束的反射率；并且信号处理装置基于在所述焊缝上所测得的反射率变化来检测钢带焊缝。

Description

用于在线检测钢带焊接部分的装置和方法

技术领域

本发明涉及针对钢带焊缝的在线检测系统和方法，尤其是其将激光束扫描到高速移动的钢带上，并且基于从钢带上反射回的激光束的反射率来在线定位钢带焊缝。

背景技术

通常，在钢铁轧机的冷轧过程中，在冷轧的开始步骤中，单位钢卷被焊接在一起连成钢带，以便进行持续的轧制，并且在轧制的完成步骤中，再将钢带沿着焊缝切开成为单位钢卷，其接着被传送进行后续处理或作为最终产品进行装运。从而，在冷轧过程中，不可避免地需要对这种焊缝进行定位，以便自动和精确地控制关键的处理设备，并且在输出端将钢带沿着焊缝剪切为单位钢卷。

图1是根据现有技术使用了通孔的钢带焊缝检测系统。

从图1中可以看到，传统的钢带焊缝检测系统具有安装在被输送的移动钢带1上方的光投射器3和下方的光探测器4。光投射器3被安装在检测焊缝2所需的位置上，并且将光向下照射到钢带1上。光探测器4安装在钢带1的下面，检测穿过在钢带1上凿的孔5的光，以此来检测相应的焊缝2。

这种传统的检测系统需要在接近焊缝2的地方钻孔5以便对焊缝2进行检测。然而，这也需要临时停下相应的生产线，以便在钢带1上钻孔，从而生产率下降。此外，孔5周围形成的多余金属还会损坏或划伤引料辊或轧辊的表面。这样，被划伤的辊不利地将这个划痕转移到接下来的钢带上。在钢带1非常薄或者是高碳钢的地方，孔5可能使钢带1碎裂。

进一步地，在使用孔的传统焊缝检测系统中，安装在正被传送去加工的钢带1上方的光投射器3使用了普通光源。这种光源的寿命很短，并因此需要周期性地更换。由于光探测器4安装在钢带1的下方来探测穿过孔5的光，所以该光探测系统难于安装，并且容易被落下的灰尘或外来物质污染。

发明内容

技术问题

本发明用于解决上述使用通孔检测焊缝的现有技术中存在的问题。因此，本发明的某些具体实施例的目的就是提供一种在线检测钢带焊缝的系统和方法，其能够将激光束发射到高速移动的钢带表面上，并且测量从所述钢带反射回的激光束的反射率，以此方便地在线检测钢带焊缝，而避免不得不形成通孔。

技术方案

根据用来实现任何一个这些目标的本发明的一个方面，提供了一种针对钢带焊缝的在线检测系统。该在线检测系统包括：反射率测量装置，用于发射激光束到移动中的钢带上，并且持续测量从所述钢带表面反射回的激光束的反射率；以及信号处理装置，用于根据在焊缝上测量的反射率变化来检测钢带的焊缝。

根据本发明的一个具体实施例，优选反射率测量装置以与钢带表面呈80°到100°的范围内的角度持续地发射激光束。更优选地，反射率测量装置垂直于钢带的表面发射激光束。

根据本发明的一个具体实施例，反射率测量装置包括激光束发生器，以产生激光束；聚焦透镜，用来聚焦激光束；聚光透镜，用来会聚从钢带表面反射回的激光束；以及光探测器，用来输出与会聚到的激光束反射率相应的电信号。这里，反射率测量装置可以进一步包括光束调节器，用以调节激光束发生器产生的激光束的横截面，其中，该光束调节装置设置于激光束发生器和聚焦透镜之间。

根据本发明的一个具体实施例，光束调节器优选将照射到钢带表面上的激光束调节形成直径为4到6毫米的圆形光斑，或宽度为2到5毫米并且长度为30到50毫米的线形光斑。

根据本发明的一个具体实施例，聚焦透镜可以包括球面透镜或柱面透镜。

根据本发明的一个具体实施例，照射到钢带表面上的激光束可以是点、圆和线中的任一个形状。

根据本发明的一个具体实施例，如果从钢带表面上的一个特定点返回的激光束的反射率超过预先设定的临界值，则信号处理装置将该特定点确定为焊缝。

根据用来实现任何一个这些目标的本发明的一个方面，提供了一种在线检测钢带焊缝的方法，包括如下步骤：(a)将激光光束发射到传送中的钢带表面上；(b)持续探测从所述表面反射回来的激光束；(c)测量反射回来的所述激光束的反射率；并且(d)根据所述反射率的变化来对焊缝进行定位。

根据本发明的一个具体实施例，步骤(a)产生激光束并且聚焦该激光束，以便照射到传送中的钢带上。这里，步骤(a)可以进一步包括调整所产生的激光束的横截面大小。

根据本发明的一个具体实施例，步骤(a)垂直于钢带表面发射激光束。

根据本发明的一个具体实施例，如果从钢带表面上的一特定点返回的激光束的反射率超过预先设定的临界值，步骤(d)则将该特定点确定为焊缝。

有益效果

根据以上阐明的本发明的某些具体实施例，能够容易地在线检测高速移动的焊缝，而不用使用现有技术中的通孔。

此外，根据本发明的某些具体实施例，因为通孔不是必要的，所以可以提高冷轧产品的生产效率，并且也能从实质上解决诸如划痕和碎裂的问题。

而且，根据本发明的某些具体实施例，通过将激光束持续地照射到钢带表面上，并且根据焊缝和普通钢带表面之间的反射率差异来对焊缝进行定位，有可能容易和精确地对焊缝进行在线检测。

附图说明

图1的结构示意图说明了现有技术中利用了通孔的针对钢带焊缝的检测系统；

图2的结构示意图说明了依据本发明一种具体实施例的针对钢带焊缝的在线检测系统；

图3为本发明的针对钢带焊缝的在线检测系统的详细结构图；

图4的顶视图说明了根据本发明一种具体实施例的聚焦到钢带表面上的激光束光斑的例子；

图5的剖面图说明了根据本发明一种具体实施例的通过闪光对接焊而形成的焊缝形状；

图6的曲线图说明了根据本发明一种具体实施例的通过激光反射测量装置获得的焊缝检测信号；

图7和图8的曲线图说明了根据本发明一个具体实施例的由在线检测系统在焊缝上所检测到的激光反射信号的例子；

图9的流程图说明了根据本发明一个具体实施例的在线检测钢带焊缝的方法。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。

图2的结构示意图描述了根据本发明一种具体实施例的针对钢带焊缝的在线检测系统。

参见图2，本发明的针对钢带焊缝的在线检测系统100包括一个激光反射率测量装置110和一个信号处理装置120。尽管在图中只显示了一个激光反射率测量装置110，但这仅仅是本发明的一个示意性的具体实施例。在本发明的另一个具体实施例中，可以根据钢带1的宽度提供两个或更多的激光反射率测量装置。

激光反射率测量装置持续发射激光束到传送中的移动钢带上，并且持续测量从所述钢带表面上返回的激光束的反射率。优选地，激光束的反射率是用来表明从移动的钢带1表面反射回来的激光束强度的指数，并且根据钢带自身的反射率或吸收率、钢带的特性、表面粗糙度、表面不平整性、表面形状等等而被检测为不同。

信号处理装置120综合分析由激光反射率测量装置110所测量的激光束反射率，以便定位焊缝2。当被焊缝2反射时，从钢带1表面上反射回的激光束的反射率(或强度)具有一个确定值，该值不同于被钢带1的其他部分反射的激光束的反射率的值。因此，将来自钢带1上其他部分的反射率和来自焊缝2的反射率作对比，以确定焊缝2是否已经通过了照射激光束的位置。以这种方式，信号处理装置120能够通过测量在移动的钢带1上的焊缝2处反射回来的激光束的反射率变化正确且精密地测量钢带1上的焊缝2。

这里，优选激光反射率测量装置110持续发射激光束到钢带1的表面上，入射角为80°到100°。

更优选垂直于钢带1的表面发射激光束。当激光束在钢带上的入射角接近于直角时，激光束的反射角同样接近于直角。那么，反射激光束能够更有效地被会聚起来，并且更容易测量反射率。换句话说，当入射角接近于直角并且激光束的反射角越小时，会聚的反射激光束较多，这是因为从钢带1表面反射和散射回来的激光束被会聚起来测量激光束的反射率。因此，当激光束基本上以直角照射时，反射率测量的可靠性较高。

图3是本发明针对钢带焊缝的在线检测系统的具体结构图。

参见图3，根据本发明的该具体实施例的针对钢带焊缝的在线检测系统主要由激光反射率测量装置110和信号处理装置120组成。激光反射率测量装置110包括一个激光束发生器111，一个聚焦透镜113，一个聚光透镜114和一个光探测器115。供选地，如图所示，反射率测量装置110可以进一步包括一个孔112，用以调整激光束的横截面。

激光束发生器111产生激光束并照射到移动着的钢带1的表面上。激光束发生器111例如通过半导体激光器发射来产生激光束。任选地，孔112可以调整激光束的横截面。孔112可以位于激光束发生器111和聚焦透镜113之间，以便不断地对激光束发生器111产生的激光束的横截面进行调整。

聚焦透镜113对横截面经孔112调整过的激光束进行聚焦，以便激光束照射到移动着的钢带1的表面上。聚焦透镜113可以为球面透镜或柱面透镜。这里，照射到钢带上的激光束的形状可以根据聚焦透镜113的类型的不同而变化。

聚光透镜114会聚从钢带1表面上反射回来的激光束。聚光透镜114将从钢带1表面反射回来的激光束发送到光探测器115上。

光探测器115在接收由聚光透镜114会聚的反射激光束时，将激光束转换成为与激光束的反射率相对应的电信号。就是说，光探测器115优选输出与反射激光束的强度相对应的电信号。光探测器115可以为单探测器或阵列探测器。

对应于反射率的电信号从光探测器115传送至信号处理装置120，信号处理装置120根据电信号而检测钢带1上的焊缝2。例如，当钢带1上一个特定点的电信号超过预先设定的临界值或者在一个特定点的电信号改变超过预先设定的参考值时，该特定点就被确定为焊缝。

图4为根据本发明一个具体实施例的顶视图，说明了聚焦到钢带表面上的激光束斑点。

如图4所示，发射到移动钢带1的表面上的激光束光斑可以为不同的形状。这种激光束的形状能够由聚焦透镜113的类型决定。例如，当聚焦透镜113是球形时，照射到钢带1上的激光束就会形成在图4(a)和(b)中所示的点状或圆形光斑。当聚焦透镜113是圆柱形时，照射到钢带1上的激光束就会形成一个如图4中(c)和(d)所示的水平或垂直线形光斑。尽管图中没有画出，作为一种供选的具体实施例，激光束可以适合于形成长方形光斑或者两条线相交的十字形光斑。

聚焦到钢带1表面上的每个光斑大小可以根据聚焦透镜113的焦距f发生变化。例如，当聚焦透镜113为球形时，光斑直径α随着球状透镜的焦距的增大而增大的程度要比随球状透镜与钢带之间的距离增大而增大的程度大。此外，当球状透镜的焦距固定时，光斑直径α与穿过孔112的激光束直径成比例地增大。根据该具体实施例，光斑直径α能够容易地通过孔112和球状透镜的焦距来调整。

同样的，当聚焦透镜113为柱状时，线形光斑发射到钢带1的表面上。在这种情况下，光斑长度L1或L2同样能够通过孔112而容易地进行调整。这个线性光斑的长度L1或L2与激光束穿过的孔112的横截面尺寸相等。根据该具体实施例，运用孔112和球状或柱状的聚焦透镜113，能够在钢带1的表面上形成图4中所示的各种光斑形状。

在钢铁轧机的冷轧步骤中，可以根据钢带的成分和厚度选择执行几种类型的焊接方法，而根据这些类型的焊接方法所焊接的形状也是不同的。在冷轧过程中将两个钢卷焊接连接在一起的地方形成了具有如图1和2所示的某一宽度的条状或带状焊缝。这种类型的焊缝影响着光反射率测量装置110的光探测器的运行效果，涉及到的因素如下：

(1)条状焊缝的激光束反射率或吸光率

(2)条状焊缝的表面粗糙度

(3)条状焊缝的特征(粗糙度或弯曲)

(4)条状焊缝的宽度

在这些因素中，因素(1)到(3)决定光探测器的输出振幅，并且因素(4)决定输出信号的时间间隔。焊缝上激光反射率的改变由焊缝的形状决定，而焊缝的形状又根据焊接类型而变化。在钢铁轧机的冷轧过程中所执行的焊接类型包括闪光对接焊、激光焊、网缝焊接等等。在钢带相对厚的地方，对接焊通过闪光对接焊或激光焊的方式执行。在薄钢带例如钢片的情况下，搭头焊接就通过网缝焊接方式执行。

图5的剖面图说明了根据本发明一个具体实施例的通过闪光对接焊所形成的焊缝形状。在钢铁轧机的冷轧过程中，闪光对接焊在酸洗连续冷轧机组(PCM)上执行。这种焊接留下一个焊珠53，其会损伤引料辊和轧辊。为了防止上述情况的出现，执行清理焊缝54的操作。焊缝清理后的部分55显示了内部的钢带材料，具有非常高的光滑度(对激光束的反射率)。因此，该焊缝在钢带的宽度方向上形成一个宽度为数十毫米的高光滑度的条55。另一方面，激光焊接留下一个宽度窄(例如1mm至2mm)并且高度小的焊珠。因为没有执行焊缝清理操作，焊珠接下来经受折叠或开槽，因此形成一个不规则的表面结构。焊珠的不规则的表面结构主要改变了激光束的反射角，使激光反射率测量装置110的光探测器的输出产生变化。网缝焊接被应用于薄钢带的搭头焊接，因此形成阶梯状焊缝。焊缝的阶梯与每个钢带的厚度相应，并且在钢带的厚度方向上延伸。网缝焊接的阶梯同样会改变激光束的反射角，从而使得激光反射率测量装置110的光探测器的输出发生变化。

图6的曲线表明了根据本发明一个具体实施例的激光反射率测量装置获得的焊缝检测信号。

如上所述，根据焊接类型，激光反射率测量装置10的光探测器的输出可能因为不同因素而不同。因此，在如图6所示的焊缝处激光束的反射率的改变将同样会不同。为了克服这种因为焊接方法类型不同而导致的激光反射率变化的问题，可以调节用于确定焊缝的参考信号电平(以下将简称为“确定焊缝信号电平”)和用于确定焊缝的信号时间间隔(以下将简称为“确定焊缝的时间间隔”或“时间间隔”)ΔT。换句话说，当根据焊缝类型而设定确定焊缝信号水平和确定焊缝时间间隔ΔT时，就能确保稳定地在线焊接检测而与焊接类型无关。

再次参考图6，在试图根据由光探测器所测得的反射激光束的反射率变化检测焊缝的情况下，当光探测器在普通钢带表面上和在焊缝上测量时的输出差别较大，并且当光探测器在焊缝上的检测信号具有较大的时间间隔时，能够更稳定地检测出焊缝。在图6中，参考符号ΔI_N表示了在钢带1的表面上测得的反射率的偏差，该偏差源于移动钢带1的振动或与表面缺陷有关的噪音。当焊缝通过检测点时，光探测器的输出变化的振幅为ΔI_WH+ΔI_WL，时间间隔为ΔT。为了稳定地检测图6的焊缝，需要满足以下条件。

数学图1

$\frac{{\mathrm{xI}}_{\mathrm{WH}}+{\mathrm{xI}}_{\mathrm{WL}}}{{\mathrm{xI}}_N}K1$

也就是说，光探测器的振幅输出变化ΔI_WH+ΔI_WL需要远远大于由于钢带振动或表面缺陷所引起的反射率偏差Δ_IN。同样需要光探测器在焊缝处输出变化的时间间隔ΔT保持稳定。在光探测器输出变化的时间间隔ΔT保持稳定的情况下，就能够除去导致错误的检测因素，如由钢带表面缺陷导致的光探测器输出改变。这是因为当由于钢带表面缺陷引起光探测器的输出改变时，时间间隔ΔT通常是不稳定的。

图7和图8的曲线图举例说明了根据本发明一种具体实施例的由在线检测系统在焊缝处检测到的激光反射信号。

图7的曲线显示了光探测器在闪光对接焊缝处检测到的信号波形，并且图8是在实际冷轧处理中产生的在线数据，该数据是通过增大图4(b)中所示的圆形光斑使其直径从1mm增加到30mm所获得的信号波形。根据该具体实施例，当激光束的圆形光斑具有的直径太小时，指示焊缝的信号很难与钢带表面上的细小突出和凹陷所带来的噪音区别开来。另外，当圆形光斑太大时，光探测器11自身输出太小的值。因此，能够理解当光斑直径在4mm到6mm的范围并且更优选地是5mm时，焊缝的信号是最容易被检测到的。根据另一个具体实施例，尽管图中没有显示，当发射的激光束在钢带表面上形成一个线形光斑且该线形光斑的宽度范围为2mm到5mm、长度范围为30mm到50mm时，可以很容易进行检测。线形光斑上的这些数据是通过大量试验而获得的结果，这些数据表明了在这样的长度和宽度时，反射激光束是容易进行探测的。

如图6所示，圆形光斑的最佳尺寸和/或其最佳形状随着焊接类型而发生变化。因此，当选取了最佳的光斑尺寸和形状后，就能根据本发明很容易地在线检测当前在钢铁轧机的冷轧过程中执行的任何焊接类型所形成的焊缝。在图7的曲线中，当激光束从钢带1的表面反射回来时，从普通钢带表面检测到的反射率信号电平A和从焊缝处检测到的反射率信号电平B二者对应的激光反射率之间存在显著的差别。将这两个反射率信号电平互相对比，以便对焊缝进行定位。尤其是，当特定点处的反射率信号电平为预先设定的参考信号电平或指示性的波形电平ΔI_WL或更大，则该特定点就被确定为焊缝。

图9的流程图说明了根据本发明一种具体实施例的针对钢带焊缝的在线检测方法。

根据图9，在S900中产生发射到移动着的钢带1表面上的激光束，并且在S902中调整激光束的横截面。在这里，可以选择性地执行调整激光束横截面的步骤S902。在S904中激光束通过聚焦透镜112聚焦，并且在S906中照射到移动中的钢带1的表面上。在这里，激光束优选以直角照射到钢带1表面上。

当激光束照射到钢带1的表面上时，激光束从表面反射回来。在步骤S908中不断地探测反射的激光束，并且在步骤S910中提取其反射率。反射激光束的反射率是表明其光强的指数。当不断提取出来的反射激光束的反射率显示出在一特定点或间隔处的光强大于预先设定的阀值时，则这个点或区间就在S912和S914中被确定为焊缝。

在这个过程中，不断地探测从钢带表面反射回来的激光束，并根据焊缝上的反射率信号与钢带普通部分上的反射率信号之间的不同来对焊缝进行定位。

在上述步骤S912中，当反射率信号电平大于预先设定的阀值电平，并且反射率信号宽度在预先设定的范围内时，相应的点将被确认为焊缝。这是为了从由于突出和凹陷噪声引起信号电平瞬时急剧升高的情况中分辨出实际的焊缝。

如上所述，针对钢带焊缝的在线检测系统和方法可以包括至少两个激光反射率测量装置110。在这种情况下，就可能通过使用来自任何一个激光反射率测量装置110的探测信号或将两个或更多的探测信号结合起来检测焊缝。这是为了将在钢带宽度方向上延伸的焊缝或带55从局部形成的高光滑度的表面缺陷中区分出来。由于这种局部高光滑度的表面缺陷没有统一的形状，当在钢带宽度方向上的两个或更多个点上测量激光反射率时，极不可能从两个或更多的缺陷处得到相等的检测信号。因此，当在钢带宽度方向上安装更多的反射率测量装置110时，将很少发生由于表面影响导致的错误检测。

工业实用性

根据上面阐明的本发明的某些具体实施例，可以很容易地在线检测高速移动的焊缝，而不使用现有技术中的通孔。此外，由于通孔不是必要的，所以能够提高冷轧生产的生产力，并且也可以实质上排除诸如划痕和碎裂的问题。

而且，根据本发明的某些具体实施例，有可能通过将激光束持续照射到钢带表面上并且根据焊缝和普通钢带表面之间反射率的不同来对焊缝进行定位，从而容易并精确地对焊缝进行在线检测。

应当理解，尽管已经结合附图并相应于某些具体实施例对本发明进行了解释说明和描述，但这些具体实施例和附图仅仅是解释性的，并且本发明绝非仅限于此。相反，可以预期到本领域技术人员无疑能够想到包含本发明原理的改良的和等同的方案。因此，预期并且希望本发明将由附属的权利要求书的的全部精神和范围来限定。

Claims (15)

1.一种针对钢带焊缝的在线检测系统，包括：

反射率测量装置，用于将激光束发射到移动着的钢带上，并且持续测量从所述钢带表面返回的激光束的反射率；以及

信号处理装置，用于根据在所述钢带焊缝上测量到的反射率变化来检测所述焊缝。

2.如权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，所述反射率测量装置以与钢带表面呈80°到100°的范围内的角度不断地发射激光束。

3.如权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于，所述反射率测量装置垂直于钢带表面发射所述激光束。

4.如权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，所述反射率测量装置包括：

激光束发生器，用于产生激光束；

聚焦透镜，用于聚焦激光束；

聚光透镜，用于会聚从所述钢带表面反射回来的激光束；以及

光探测器，用于输出与所会聚激光束的反射率相对应的电信号。

5.如权利要求4所述的在线检测系统，其特征在于，所述反射率测量装置进一步包括光束调节器，用于调节所述激光束发生器产生的激光束的横截面。

6.如权利要求5所述的在线检测系统，其特征在于，所述光束调节器将照射到所述钢带表面上的激光束调节为直径4mm到6mm的圆形光斑或宽度为2mm到5mm且长度为30mm到50mm的线形光斑。

7.如权利要求4所述的在线检测系统，其特征在于，所述聚焦透镜包括球面透镜或柱面透镜。

8.如权利要求4所述的在线检测系统，其特征在于，照射到所述钢带表面上的激光束具有选自点、圆和线的一种形状。

9.如权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，如果从所述钢带表面上的一特定点返回的激光束的反射率超过预先设定的阀值，则所述信号处理装置将其确定为焊缝。

10.一种针对钢带焊缝的在线检测方法，包括以下步骤：

(a)将激光束发射到传送中的钢带表面上；

(b)持续测量从所述表面返回的激光束；

(c)测量所述反射激光束的反射率；以及

(d)基于所述反射率的变化对所述焊缝进行定位。

11.如权利要求10所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(a)产生并且聚焦激光束，以便于照射到所述传送中的钢带的表面上。

12.如权利要求11所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(a)进一步包括调整所产生的激光束的横截面大小。

13.如权利要求10所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(a)将所述激光束垂直地发射到所述钢带的表面上。

14.如权利要求10所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(b)持续探测从设置在所述钢带的宽度方向上的至少两个点反射回来的激光束。

15.如权利要求10所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(d)包括如果从所述钢带表面上的特定点返回的激光束的反射率超过预先设定的阀值，则将所述钢带表面上的特定点确定为焊缝。

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