CN102294549B

CN102294549B - 焊接系统及焊接方法

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Publication number: CN102294549B
Application number: CN201110235029.4A
Authority: CN
Inventors: 三浦崇广; 山本摄; 星岳志; 小川刚史; 藤田善宏; 平野正三; 渡部和美; 长井敏; 吉田昌弘; 千星淳; 浅井知; 落合诚
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102294549A; EP2388573B1; US20110284508A1; JP5743711B2; JP2012006078A; EP2388573A2; EP2388573A3

Abstract

一种焊接系统，具有：焊接机构、接收激光源、接收光学机构、干涉仪和数据记录/分析机构。接收激光源产生接收激光，以使用接收激光照射被焊接对象，用以检测由于发射超声波的反射而获得的反射超声波。接收光学机构在焊接操作期间或焊接操作后，在与焊接机构一起相对于被焊接对象移动的同时，将由接收激光源产生的接收激光传输至被焊接对象的表面，并收集在被焊接对象的表面上散射/反射的激光。

Description

焊接系统及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种使用激光超声技术的焊接系统及方法。

背景技术

焊接是结构制造必不可少的技术，而且随着当代技术的进步，焊接可用于由通常难以焊接的材料制成的对象，或者具有通常难以焊接的形状的对象。同时，当使用先进焊接技术制造的结构一旦根据检查结果确定存在焊接缺陷，通常无法轻易对其进行重新焊接。因此，由于焊接缺陷造成的对工艺或成本的影响日益增加。在此情况下，为保证焊接结构的可靠性，检查（inspection）技术（JIS Z3060：Method for ultrasonic examination for welds of ferritic steel（非专利文献1）和由日本焊接协会编著、于1986年12月20日出版的“Basics of welding technology”（非专利文献2），在此以引用的方式结合其全部内容）的重要性比以前更高了。

如上所述，当根据焊接之后的质量检查的结果确认在诸如厚板焊接的技术上困难的焊接中出现焊接缺陷时，重新焊接所需的成本和构造周期明显增加。

因此，期望检查不是在焊接操作之后而是在焊接操作期间进行。根据检查结果，可以改变焊接条件，或者可以将重新焊接及时反馈给焊接处理。如果能够实现这一过程，则可以显著地降低重新焊接的成本。此外，在检查是在焊接之后进行的情况下，如果被焊接对象尺寸很大，则可能出现冷却该对象需要超过半天的情况，使得无法在焊接之后立即进行检查。因此，直到开始检查之前的时间被浪费了。

日本专利申请公开号No.2001-71139（专利文献1）或日本专利申请公开号No.2002-71649（专利文献2）（在此通过引用的方式结合其全部内容）提出了一种在焊接操作期间检查焊接质量的技术，作为解决以上问题的方法。然而，这些系统使用一种探针，该探针接触被焊接对象的表面，用以将超声波发射到对象上或接收来自对象的超声波。在这些方法中，需要诸如甘油或水的接触介质，以允许超声探针接触被焊接对象的表面，这使得后处理变得复杂。另外，在被焊接对象具有很高温度的情况下，需要用于防止探针损坏的特殊机构。

日本专利申请公开号No.2007-90435（专利文献3，在此通过引用的方式结合其全部内容）提出了一种系统，其中超声波发生机构附接到焊接机构以监测焊接操作。在此系统中，超声探针未制作成接触被焊接对象，而是设置在焊接机构中，由此不必考虑被焊接对象的温度。然而，在此系统中，必须将超声波发生机构直接设置在焊接机构中，这需要对现有的焊接装置进行改造，且将可应用的焊接方法限制为点焊或其类似方法。因此，在此系统中，难以执行多样化的焊接，诸如对接焊/坡口焊。这是因为该系统不是直接检测诸如在实际焊接中由不良焊接部产生的反射回波的指示，而是检测超声信号的变化，因此不能识别不良焊接部。因此，这一系统不适用于修补特定的焊接部。

为了克服以上问题，已经尝试应用实现非接触检查的激光超声技术。例如，在日本专利申请公开号No.2007-57485（专利文献4，在此以引用的方式结合其全部内容）中，能够以非接触方式进行测量的激光超声方法用于检测焊接部中的焊接缺陷或气孔。然而，专利文献4的方法是基于在焊接完成之后执行检查的假设，因而难以应用于过程中（in-processing）检查。尽管日本专利申请公开号No.H11-101632（专利文献5，在此通过引用的方式结合其全部内容）提出了过程中测量，但该测量是针对被焊接对象的厚度、其中的相位变化位置、或焊接期间的成分变化，而不是针对焊接缺陷检查。另外，在焊接期间并未进行反馈，因此如果出现焊接缺陷，需要进行重新焊接操作。

此外，专利文献4和5未描述任何有关对激光照射表面状态的影响，这是激光超声方法中出现的问题。当被焊接对象在焊接时被过度加热，被焊接对象被氧化，导致激光照射表面的状态无规律地变化。类似地，由于在焊接时的溅射物或散射物，诸如烟尘，被焊接对象表面的状态改变。此外，专利文献4公开了一种将用于发射超声波到对象上或接收来自对象的超声波的激光照射到被焊接金属上的技术。在诸如专利文献4中作为示例的实质上没有形成焊珠（welding bead）的点焊的焊接中，在发射/接收超声波时几乎未出现灵敏度的降低或变化；然而，在进行扫描或多层焊接时会形成焊珠，并且由于所形成的焊珠而引起的不规则性的微小变化或表面状态的改变，将导致超声波的灵敏度降低或变化。在激光超声方法中，这对检测效果产生了严重的不利影响。

另外，日本专利申请公开号No.2007-17298（专利文献6，在此通过引用的方式结合其全部内容）公开了一种技术，其使用超声波而不是表面波，诸如底面回波，作为使用表面波的测量中的参考信号。然而，对于两个探针设置为横跨焊接部的配置，或者对于底面不平滑的被检查对象，底部回波强度本身用作一参数，因而不能起到参考信号的作用。

发明内容

需要即使在被焊接对象具有高温的情况下，实现在焊接期间具有稳定发射/接收灵敏度的实时检查，同时减少对传统焊接装置的影响。

针对以上问题作出实施例，并且其目的在于提供一种焊接系统，其即使在被焊接对象具有高温的情况下，也能够在焊接期间进行具有稳定发射/接收灵敏度的实时检查。

根据一个实施例，提供了一种焊接系统，包括：焊接机构，其在沿着被焊接对象的焊缝相对于被焊接对象移动的同时，对所述被焊接对象进行焊接；发射激光源，其产生发射激光；发射光学机构；接收激光源；接收光学机构；干涉仪；数据记录/分析机构；

其特征在于，

所述被焊接对象为端部相对接的两个构件，所述焊接机构使所述两个构件相连接；

所述发射光学机构在焊接操作期间或焊接操作后，在与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，将由所述发射激光源产生的所述发射激光传输至所述两个构件中一方的表面以进行照射，从而产生发射超声波；

所述接收激光源产生接收激光，以利用所述接收激光照射所述两个构件中的另一方，用以检测由于所述发射超声波的反射而获得的反射超声波；

所述接收光学机构在焊接操作期间或焊接操作后，在与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，将由所述接收激光源产生的所述接收激光传输至所述两个构件中另一方的表面以进行照射，并收集在所述两个构件中另一方的所述表面上散射/反射的激光；

所述干涉仪对所散射/反射的激光进行干涉测量；以及

所述数据记录/分析机构测量并分析由所述干涉仪获得的超声信号。

根据另一实施例，提供了一种焊接系统，包括：焊接机构，其在沿着焊缝相对于被焊接对象移动的同时，对所述被焊接对象进行焊接；发射激光源，其产生发射激光；发射光学机构；接收激光源；接收光学机构；干涉仪；数据记录/分析机构；

其特征在于，所述焊接系统还包括参考信号光学机构，并且

所述发射光学机构在焊接操作期间或焊接操作后，在与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，将由所述发射激光源产生的所述发射激光传输至所述被焊接对象的表面以进行照射，从而产生发射超声波；

所述接收激光源产生接收激光，以利用所述接收激光照射所述被焊接对象，用以检测由于所述发射超声波的反射而获得的反射超声波；

所述接收光学机构在焊接操作期间或焊接操作后，在与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，将由所述接收激光源产生的所述接收激光传输至所述被焊接对象的表面以进行照射，并收集在所述被焊接对象的所述表面上散射/反射的激光；

所述干涉仪对所散射/反射的激光进行干涉测量；

所述数据记录/分析机构测量并分析由所述干涉仪获得的超声信号；以及

所述参考信号光学机构在与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，将参考信号照射激光传输至所述被焊接对象的所述表面的部分上的参考信号激光照射位置，以产生参考信号超声波，所述参考信号激光照射位置不同于所述发射激光照射的所述发射激光照射位置和所述接收激光照射的所述接收激光照射位置，其中，

由所述接收光学机构收集的所述激光是已经受到由于所述发射超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制和由于参考信号超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制的激光。

根据另一实施例，提供一种焊接方法，在沿着被焊接对象的焊缝相对于被焊接对象移动焊接机构的同时，对所述被焊接对象进行焊接，其特征在于，所述被焊接对象为端部相对接的两个构件，所述焊接方法使所述两个构件相连接，所述方法包括：

发射超声波产生步骤：在焊接操作期间或焊接操作后，在发射光学机构与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，使用由发射激光源产生的发射激光照射所述两个构件中一方的表面部分，以产生发射超声波；

反射超声波检测步骤：在焊接操作期间或焊接操作后，在接收光学机构与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，使用由接收激光源产生的接收激光照射所述两个构件中另一方的表面部分，并收集在所述两个构件中另一方的所述表面上散射/反射的激光，以检测由于所述发射超声波的反射而获得的反射超声波；以及

干涉测量步骤，用于对所散射/反射的激光进行干涉测量。

根据另一实施例，提供了一种焊接方法，在沿着焊缝相对于被焊接对象移动焊接机构的同时，对所述被焊接对象进行焊接，其特征在于，所述方法包括：

发射超声波产生步骤：在焊接操作期间或焊接操作后，在发射光学机构与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，使用由发射激光源产生的发射激光照射所述被焊接对象的表面的部分，以产生发射超声波；

反射超声波检测步骤：在焊接操作期间或焊接操作后，在接收光学机构与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，使用由接收激光源产生的接收激光照射所述被焊接对象的表面的部分，并收集在所述被焊接对象的所述表面上散射/反射的激光，以检测由于所述发射超声波的反射而获得的反射超声波；

干涉测量步骤：对所散射/反射的激光进行干涉测量；

所述发射超声波产生步骤包括参考信号产生步骤：在焊接操作期间或焊接操作后，在参考信号光学机构与所述焊接机构一起相对于所述被焊接对象移动的同时，使用参考信号激光照射所述被焊接对象的所述表面上的参考信号激光照射位置，从而产生参考信号，所述参考信号激光照射位置不同于所述发射激光照射的发射激光照射位置以及所述接收激光照射的接收激光照射位置；以及

所述反射超声波检测步骤包括步骤：收集已经受到由于所述发射超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制和由于参考信号超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制的激光，以检测由于所述发射超声波的反射而获得的反射超声波。

以下，将参考附图描述实施例。在整个附图中，对相似或相应元件使用相同的附图标记，并且将省略多余的解释。

附图说明

图1是示意性示出根据本发明的焊接系统的第一实施例的方框配置图；

图2是示出图1中的焊接系统中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间位置关系的平面图；

图3是示出使用图1的焊接系统执行的焊接方法的第一实施例的流程图；

图4是示出使用图1的焊接系统执行的焊接方法的第一实施例的变型的流程图；

图5是根据本发明的焊接系统的第一实施例的变型中，沿焊缝方向观看的垂直截面图，其示出焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间的位置关系；

图6是根据本发明的焊接系统的第一实施例的另一变型中，沿焊缝的方向观看的垂直截面图，其示出焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间的位置关系；

图7是示意性示出根据本发明的焊接系统的第一个实施的又一变型的透视图；

图8是示意性示出根据本发明的焊接系统的第二个实施例的方框配置图；

图9是示出图8的焊接系统中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点、表面改性（modification）机构等之间位置关系的平面图；

图10是根据本发明的焊接系统的第二实施例中，沿焊缝的方向观看的垂直截面图，其示出对于被焊接对象的表面的改性处理之前发射激光点周围的部分；

图11是示出根据本发明的焊接系统的第二实施例中，表面改性机构及其周围部分的透视图；

图12是根据本发明的焊接系统的第三实施例中沿与焊缝垂直的方向观看的截面图，其示出表面改性机构及其周围部分；

图13A和13B分别为表现根据本发明的焊接系统的第三实施例中的表面改性处理的影响的曲线图，其具体表现了相对于焊接方向上的位置的返回光的强度分布，其中图13A是未进行表面改性处理的曲线图，图13B是已进行表面改性处理的曲线图；

图14是示出根据本发明的焊接系统的第四实施例中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间位置关系的平面图；

图15是示出图14的焊接系统中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间位置关系的透视图；

图16是示意性示出由图14和图15的焊接系统获得的焊接部附近可视的二维截面之间位置关系的透视图；

图17是示意性示出由图14和图15的焊接系统获得的焊接部附近可视的三维区域的位置的透视图；

图18是示意性示出图16的可视二维截面数据被处理以显示（在预定方向上的投影）的情形的透视图；

图19是实际的具体测量示例的视图，其中如图18所示的可视的二维截面数据在与焊接方向垂直的方向上投影以显示，其示出了图7的焊接系统获得的结果（第一实施例的变型）；

图20是示意性示出根据本发明的焊接系统的第五实施例的方框配置图；

图21是示意性示出根据本发明的焊接系统的第六实施例的方框配置图；

图22是示意性示出根据本发明的焊接系统的第七实施例的方框配置图；

图23是示意性示出图22的焊接系统中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点、被焊接对象上的照射图案等的平面图；

图24是示出根据本发明的焊接系统的第八实施例中保护机构及其周围部分的透视图；

图25是示意性示出根据本发明的焊接系统的第九实施例的方框配置图；

图26是示出由图25的焊接系统获得的测量结果的示例的视图；

图27是示出通过直接处理图26的测量结果而获得的二维截面数据的示例的视图；

图28是示出通过从图26的测量结果中取消Uref而获得的结果的示例的视图；

图29是示出由图28的测量结果获得的二维截面数据的示例的视图；以及

图30是示出根据本发明的焊接系统的第十实施例中焊接部、发射激光照射点、参考信号激光照射点、接收激光照射点、表面改性机构等之间位置关系的平面图。

具体实施方式

[第一实施例]

图1是示意性示出根据本发明的焊接系统的第一实施例的方框配置图。图2是示出图1的焊接系统中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间位置关系的平面图。

根据第一实施例的焊接系统30包括用于对被焊接的对象（或工件）2进行焊接的焊接机构1以及控制焊接机构1的焊接控制机构3。被焊接对象2例如由两个平板构成，且两个平板的端部对接在一起用以进行多层焊接。焊接机构1设计成可以沿焊缝相对被焊接对象2移动。即，被焊接对象2可以在焊接机构1固定的情况下被驱动，或者相反，被焊接对象2可以在焊接机构1被驱动的情况下固定。

焊接机构1可以是任意类型的执行以下焊接的机构：例如气焊、遮蔽金属弧焊、电渣焊、铝热焊、埋弧焊、惰性气体弧焊、MAG焊、CO₂弧焊、电子束焊、等离子弧焊、激光焊，或诸如熔焊的其他形式的焊接。并且，焊接机构1可以是执行除焊接以外的接合（卷边或钎焊），诸如摩擦搅拌接合的一类机构。

焊接系统30还包括以发射激光Ii照射被焊接对象2的发射激光源4以及以接收激光Id照射被焊接对象2的接收激光源5。

用作发射激光源4和接收激光源5的激光器可以是，例如，Nd:YAG激光器、CO₂激光器、Er:YAG激光器、钛蓝宝石激光器、翠绿宝石激光器、红宝石激光器、染料激光器、受激准分子激光器等。激光源能够输出连续波或者脉冲波，并且可以单个使用或多个结合使用。在使用多个激光源的情况下，测量超声波所需的其他部件的数量根据需要增加。

焊接系统30还包括：发射光学机构9，用于将由发射激光源4产生的发射激光Ii传输至被焊接对象2上的给定发射激光照射点Pi；发射光学系统驱动机构11，用于移动发射激光照射点Pi的位置；接收光学机构10，用于将由接收激光光源5产生的接收激光Id传输至被焊接对象2上的给定接收激光照射点Pd进行照射，并收集来自所发射的接收激光Id的接收激光照射点Pd的反射/散射光Ir；以及接收光学系统驱动机构12，用于移动接收激光照射点Pd的位置。

发射光学机构9和接收光学机构10均由透镜、反射镜和光纤构成。具体而言，在发射激光Ii照射到被焊接对象2表面上的圆形的发射激光照射点Pi的情况下，优选构造该接收激光照射点Pd处的照射直径落入大约0.1mm至30mm范围内的光学系统。可替代地，使用圆柱形透镜的光学系统用于使照射形状成线性。在此情况下，线长度优选落入大约1mm至100mm的范围内，且线宽度落入大约0.001mm至30mm的范围内。照射形状不限于以上提到的一种。

发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd位于焊接方向上的焊接点Pw之后的焊接部W的两侧，如图1和图2所示。发射光学机构9和接收光学机构10分别由发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12驱动，从而与焊接机构1一起沿着焊缝相对于被焊接对象2移动。

焊接系统30还包括用于对已从超声波U转变的激光Ir进行干涉测量的干涉仪6。干涉仪6可以是Michelson干涉仪、零差干涉仪、外差干涉仪、Fizeau干涉仪、Mach Zehnder干涉仪、Fabry Perot干涉仪、光折变干涉仪或其他激光干涉仪。也可以采用刀口法，作为不同于干涉测量的方法。以上所有干涉仪可单独或多个一起使用。

焊接系统30还包括数据记录/分析机构7，用于记录已经通过干涉测量转换成电信号的超声信号，以执行数据分析。数据记录/分析机构7具有记录由干涉仪6获得的超声波数据的功能、分析获得的超声波数据的功能、记录焊接位置和焊接条件的功能、调整激光照射位置的位置控制功能、以及记录照射位置信息的功能。可以设想数据记录/分析机构7可以是一个或多个机构，且上述功能有时以分布方式在多个数据记录/分析机构7中实现。

焊接系统30还包括显示机构8，能够显示由数据记录/分析机构7获得的检查结果或焊接条件。显示机构8具有除显示检查结果之外的至少一个或更多功能，当确定焊接质量出现问题时显示报警，通过触摸面板界面使操作紧急停止，比较仿真结果和实际数据等。

在难以确定（由于被焊接对象形状的复杂性）根据被焊接对象的形状获得的超声波形是反映出表示焊接缺陷的超声信号，还是仅仅表示被焊接对象的形状的超声信号的情况下，在焊接之前、期间或之后，进行对被焊接对象的形状进行仿真的超声波传播仿真，作为所述仿真。

以下将描述如上配置的第一实施例的操作。在被焊接对象2的焊接点Pw处进行焊接操作以形成焊接部W。同时，由发射激光源4发射的发射激光Ii透过发射光学机构9并照射到被焊接对象2表面上的发射激光照射点Pi。这时，由于对抗热应力或表层摩损导致的反作用力产生了超声波U。产生的超声波U包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波U。当产生的超声波U到达不良焊接部或被焊接对象的底面时，传播路径因超声波U的反射、散射和折射而改变。

同时，由接收激光源5发射的接收激光Id透过接收光学机构10并照射到被焊接对象2表面上的接收激光照射点Pd。此时，当超声波U到达接收激光照射点Pd时，接收激光Id经历振幅调制或相位调制，或者反射角变化并作为包含超声信号分量的激光Ir被反射。

具有超声信号的激光Ir由接收光学机构10再次收集，而后传输至干涉仪6。具有有超声分量的光学信号由干涉仪6转换成电信号，而后由数据记录/分析机构7存储为超声波数据。数据记录/分析机构7可对所获得的超声信号应用平均处理、移动平均处理、滤波、FFT（快速傅里叶变换）、小波变换、合成孔径处理以及其他信号处理。并且，能够利用焊接位置信息、照射位置信息、温度信息等来校正该超声信号。

根据本实施例，可以进行过程中焊接检查。使用根据本实施例的焊接系统的焊接方法的过程将利用图3进行描述。图3是示出使用根据第一实施例的焊接系统进行焊接方法的示例的流程图。

如图3所示，坡口被对准（步骤S1），被焊接对象被预热（步骤S2），然后进行焊接（步骤S3）。并行地，执行焊接检查（步骤S4）。当焊接检查结果出现问题，局部维护和修补，例如去除或熔化焊接部（步骤S5），接着再次预热（步骤S2）和焊接处理（步骤S3）。在焊接完成而焊接检查（步骤S4）中没有任何问题的情况下，结束焊接（步骤S6）。在焊接结束后，被焊接对象被加热（步骤S7）并且随后冷却（步骤S8），从而完成整个操作（步骤S9）。

可由数据记录/分析机构7基于分析结果（例如，基于超声信号的阀值，基于仿真结果与实际数据的比较等）自动地做出或由操作者基于显示机构8上的显示做出焊接检查（步骤S4）中的焊接缺陷存在/不存在的确定。

在局部维护和修补处理（步骤S5）中，在用于重新焊接的焊接操作期间，焊接位置可设定回到不良焊接部之前的位置，或在一系列焊接处理结束后仅仅对不良焊接部进行重新焊接。

并且，在局部维护和修补处理（步骤S5）期间或之后，为了不产生焊接缺陷，可改变焊接条件。

如上所述，在这个处理流程中，检查是在焊接期间进行的，且在根据检查结果检测到焊接缺陷的情况下，仅不良焊接部需要在另一焊接前进行维护和修补。

在传统处理流程中，检查仅能在焊接完成且施加热处理/冷却处理之后进行，因此在焊道（welding pass）数量大的情况下，直到检查开始时所需的时间非常长。另外，执行再处理成为很大的负担。另一方面，根据本实施例，检查可以针对每个焊道执行或在特定数量的焊道完成后进行，因此如果出现焊接缺陷，重新焊接的再处理负担很小。并且，能够构造尽管发生了焊接缺陷仍可确定在结构强度方面没问题的配置。而且，检查不仅可以在焊接后的硬化状态下进行，也可在熔化状态下进行。

图4是示出使用第一实施例的焊接系统进行的焊接方法的另一示例的流程图。图4的处理流程的示例说明以下情形：焊接检查（步骤S4）结果检测到微小（minor）焊接缺陷；由于所检测的焊接缺陷尚可容忍，则不对焊接部W进行局部维护和修补（步骤S5）；以及在焊接（步骤S3）正在继续的同时改变焊接条件（步骤S10）。

按照如下确定焊接缺陷是否尚可容忍。即，由于数据记录/分析机构7执行的分析，当在预定区域中观察到基于阀值确定来表示焊接缺陷的信号预定次数或更多次数，或预定时间长度或更长时间长度时，确定已经发生超出可容忍范围的焊接缺陷，而当观察到表示焊接缺陷的信号少于预定次数，或少于预定时间长度时，确定发生在可容忍范围内的焊接缺陷。

同样，在图3的焊接检查（步骤S4）中，当焊接缺陷在可容忍范围内时，处理流程进行到步骤S6，而当焊接缺陷超出可容忍范围时，处理流程进行到步骤S5。

如上所述，在图4的处理流程的示例中，检查结果可以反馈至焊接控制机构3以使地当前焊接条件变得最优。而且，由于检查不仅可以在焊接后的硬化状态下进行，而且可以在熔化状态下进行，因此可改变当前的焊接条件以优化焊接条件并设定焊接条件以消除下一焊道中的焊接缺陷。这使得即便出现焊接缺陷，也能够减少了焊接操作时间和成本。如上所述，可以在焊接期间实时进行检查而不影响传统的焊接设备，而且进一步地，可根据检查结果暂时停止焊接并将检查结果反馈至当前焊接条件。

可以改变图4的处理流程以使得焊接条件在局部维护和修补（步骤S5）期间或之后改变。

并且，可以改变图3和图4的处理流程，以在局部维护和修补（步骤S5）中确定在该局部维护和修补之后是否需要进行预热，并在确定不需要预热时，跳过预热（步骤S2）而进行焊接处理（步骤S3）。

尽管在第一实施例中，发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd位于焊接部W的两侧，然而本发明并不限于以上位置关系。图5和图6分别示出发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd之间在位置关系方面的改变。更特别地，在沿焊缝的方向上观看，图5和图6分别是示出第一实施例的变型中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点等之间位置关系的垂直截面图。

在图5的示例中，发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd都位于焊接部W的一侧。在图6的示例中，发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd都位于焊接部W上。

尽管在第一实施例中，被焊接对象2是由两块平板组成，但本发明并不限于此。例如，如图7的变型所示的，被焊接对象2可由两个同轴的具有相同直径的圆柱体组成。在此情况下，这两个圆柱体可在它们轴线方向上排列以进行焊接。图7是示意性示出焊接系统的第一实施例的变型的透视图。

[第二实施例]

图8是示意性示出根据本发明的焊接系统的第二实施例的方框配置图。图9是示出图8的焊接系统中焊接部、发射激光照射点、接收激光照射点、表面改性机构等之间的位置关系的平面图。图10是在沿焊缝的方向上观看的垂直截面图，示出焊接系统中对被焊接对象进行表面改性处理之前发射激光照射点附近的部分。图11是示出焊接系统中表面改性机构及其周围部分的透视图。

根据本实施例的焊接系统31是通过增加诸如研磨机或者金属丝刷的用于研磨表面的研磨机构14a，作为表面改性机构而得到的。研磨机构14a设计用于对焊接方向上的发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd附近的被焊接对象2的表面进行改性。

当发射激光Ii照射到被焊接对象2表面上的发射激光照射点Pi时，如果发射激光Ii具有密集的能量，则此表面被磨损。因此，如图10所示，通过发射激光Ii，会出现表层中形成坡口50的现象。由于在多层焊接的情况下沿着相同焊道进行多次焊接，在用于第二层和后继层的焊接操作中发射激光Ii均照射坡口50上。尽管坡口50的深度最大一般约为几十微米至几百微米，但是激发的超声波U的振幅或频率特性逐渐地降级，从而降低激发效率。为了应对这种情况，如图11所示，采用诸如研磨机的机构去除被焊接对象2的表面上的变形部分，该诸如研磨机的机构和能够研磨发射激光Ii已经照射过一次或多次的表面部分，使得发射激光Ii的照射在发射激光照射点Pi周围的部分总是平整的状态下进行。因此，能够防止超声波U的激发效率的降低，即灵敏度的降低。此外，甚至在单层焊接的情况下，即使由于存在附加物而导致发射激光Ii照射的表面的状态较差，也能通过研磨机构14a防止灵敏度降低。

此外，对接收激光照射点Pd应用类似的研磨机构14a，防止了由于焊接操作的预热而导致的被焊接对象2的表面被氧化，或者去除了诸如烟尘或溅射物的附着物。因此，提高了接收激光照射点Pd处的反射率，从而提高了激光Ir的光量。由此，增强了所获得的超声信号的灵敏度。

使用研磨机构14a的研磨工作可由检验员或焊接操作者在检查之前或期间进行。

[第三实施例]

图12是在与焊缝线垂直的方向上观看的截面图，其示出根据本发明的焊接系统的第三实施例中的表面改性机构及其周围部分。

第三实施例是第二实施例的改进，其中一种涂覆机构代替第二实施例的研磨机构用作表面改性机构。涂覆机构14b将涂层材料16，诸如耐高温墨水或涂料或薄膜金属涂覆在相对于焊接方向上的发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd相邻侧的被焊接对象2的表面上。涂层材料16可以是能够抗高温且可由发射激光Ii磨损的材料，或是能够抗高温且相对于所使用的接收激光Id的波长表现出高反射率的材料。

耐高温涂层材料16可由涂覆机构14b自动地涂覆，也可由检验员或焊接操作者在检查之前或期间手动地涂覆。

在使用涂覆耐高温墨水或涂料或金属薄膜的涂覆机构14b的情况下，不是被焊接对象2的表面而是涂层材料16在发射激光照射点Pi（图12）处被磨损。这对于防止被焊接对象2本身被激光照射损坏非常有效。会存在这样的情况：由所涂覆的材料引起的磨损而产生的超声波的强度大于由激光照射到被焊接对象的表面而产生的超声波的强度。因此，有可能增强最终获得的超声信号的灵敏度。

而且，利用以上涂覆机构，可增强在接收激光照射点Pd处的接收灵敏度，或者由于第二实施例中得到的研磨效果，接收灵敏度的变化因此保持恒定。具体而言，接收激光受到表面状态的强烈影响。

图13A和图13B中示出具体测量结果的曲线，该具体测量结果表现出由于被焊接对象的温度升高而引起的表面氧化造成的影响。图13A和图13B分别是表现出第三实施例中的表面改性处理的效果的曲线图，其具体表现出返回光相对于焊接方向上的位置的强度分布。图13A是未进行表面改性处理时的曲线图，而图13B是已经进行表面改性处理时的曲线图。

图13A和图13B分别示出当接收激光照射点Pd在焊接方向上移动时测量的作为返回光的激光Ir的强度变化。如示出未进行表面改性处理情况的图13A清晰表明的，激光Ir在特定位置显著变化。因此，超声波的接收灵敏度会在特定检查位置显著变化，或者超声信号的强度会变化。这会导致灵敏度在一个位置达到饱和而在另一位置存在非常小的灵敏度的情况。并且，会出现灵敏度的变化用作伪信号变化并被错误地确定为缺陷信号的情况。因此，通过将涂层材料16涂覆在接收激光照射点Pd的位置上，能够抑制以上的灵敏度变化。例如，在涂层材料16是由对所使用的激光的波长具有高反射率的材料制成的情况下，可以随着研磨时间增加激光Ir的光量并提高所获得的超声信号的灵敏度。

图13B中示出已使用涂层材料16的情况下得到的结果。可以确认作为返回光的激光Ir的强度的变化可被抑制。

利用本实施例的配置，可以提供能够防止灵敏度降低并且提供高灵敏度检查结果的系统。

[第四实施例]

图14是示出根据本发明的焊接系统的第四实施例中焊接部、发射激光照射点Pi、接收激光照射点Pd等之间位置关系的平面图。图15是示出图14的焊接系统中焊接部、发射激光照射点Pi、接收激光照射点Pd等之间位置关系的透视图。图16是示意性示出由图14和图15的焊接系统获得的焊接部附近可视的二维截面之间位置关系的透视图。图17是示意性示出由图14和图15的焊接系统获得的焊接部附近可视的三维区域的位置的透视图。图18是示意性示出图16的可视二维截面的数据被处理以显示（在预定方向上的投影）的情形的透视图。

本实施例是第一实施例的改进，其中发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd的位置分别由发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12改变。

在焊接部W的检查中，进行数据记录，同时沿与焊接方向平行的方向，即图14的X方向，移动发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12，并显示检查结果，诸如A扫描、B扫描、C扫描和D扫描，以确定存在/不存在缺陷。A扫描、B扫描等是在超声技术领域中使用的术语。例如，A扫描是由时间轴和超声振幅轴定义的波形数据，B扫描显示将元素数量（或元素位置）描绘在一个轴上而超声振幅（或亮度值变化）描绘在另一个轴上的波形数据。在例如由日本无损检查协会出版的“NondestructiveInspection Technique-Ultrasonic Inspection III”中描述了具体细节。

当执行沿垂直于焊接方向的方向，即图14和图15的Y方向，移动发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12的操作时，能够通过孔径合成处理来可视化对图15和图16所示的二维截面17的区域或焊接部附近的二维截面17的部分区域的检查。

孔径合成是合成由位于多个位置的接收器获得的数据以提高分辨能力的技术，并且一般用于孔径合成雷达中。

还可以通过孔径合成处理来可视化图17所示的三维区域18。

此外，如图18所示的配置也是可行的，其中图16中所示的所获得的二维截面17的一部分可视化区域进行信号处理，例如最大值检测处理或平均处理而后投影在焊接方向上，以显示为二维截面17a。类似地，二维截面17的部分可视化区域可以在与焊接方向垂直的方向上投影以显示为二维截面17b。

检查可以在焊接操作期间进行，并且由以上处理获得的结果显示在显示机构8上（参见图1）。这一处理是能够显著增强超声波检测灵敏度的技术。利用以上配置，能够提供一种可以防止灵敏度降低并提供高灵敏度检查结果的系统。

图19示出投影在垂直于焊接方向的方向上的二维截面17b的具体显示示例。图19是实际的具体测量示例的视图，其中，如图18所示的可视的二维截面数据被投影在与焊接方向垂直的方向上进行显示，这示出图7的焊接系统（第一实施例的变型）获得的结果。更具体地，图19示出在图7的系统中对厚度为150mm以及直径约为425mm的圆柱形状的被焊接对象2进行焊接时，图18的二维截面17b的测量结果。被焊接对象2的温度大约为200℃。将有意地产生焊接缺陷的机构应用于被焊接对象2，并且在从表面到40mm深度进行焊接操作时进行测量。

如图19中可以确认的，缺陷指示能够以高亮度显示。如上所述，根据本实施例，即使在被焊接对象具有较高温度的情况下，也能够以稳定的发射/接收灵敏度在焊接操作期间实时检查存在/不存在焊接缺陷，同时降低对传统焊接装置的影响。而且，可以根据探测结果暂时停止焊接并将缺陷结果反馈到当前焊接条件。

[第五实施例]

图20是示意性示出据本发明的焊接系统的第五实施例的方框配置图。

根据本实施例的焊接系统32是第一实施例的变型，并且特征在于用于测量被焊接对象2的温度的温度测量机构13增加到第一实施例。温度测量机构13可以是，例如非接触式辐射测温仪、接触电阻测温仪、热敏电阻、热电偶，或根据其他原理测量温度的技术。而且，所设置的温度测量机构13的数量可以是一个或多个。温度测量机构13优选安装在超声波U的传播路径上或传播路径附近的部分。

根据第五实施例，获得的超声信号的声速可以相对于温度进行校正。一般而言，超声波的声速取决于温度。因此，当由检测到的超声信号来计算焊接缺陷位置时，存在误差。类似地，当进行利用超声信号发射/接收位置信息的信号处理，诸如孔径合成处理时，存在误差。为了避免这一问题，测量在检查时间时被焊接对象2的温度，并使用预先准备的用于调整由于温度变化而造成的声速变化的校正公式等来校正声速。利用这一配置，可以降低由于温度变化而导致的误差。如上所述，根据第五实施例，可以进行在高温度环境下执行超声检查的焊接操作。

[第六实施例]

图21是示意性示出根据本发明的焊接系统的第六实施例的方框配置图。

根据本实施例的焊接系统33是第一实施例的变型，且特征在于在第一实施例中增加用于连续测量发射光学机构9和被焊接对象2之间距离和/或接收光学机构10和被焊接对象2之间距离的距离测量机构23。

当发射光学机构9和被焊接对象2之间的距离或接收光学机构10和被焊接对象2之间的距离在焊接期间由于焊接机构1的扫描精度、由于已进行焊接的被焊接对象的变形或者由于被焊接对象的固有形状而发生改变时，包含超声信号的激光Ir的收集效率会下降。而且，上述的距离改变会引起发射激光Ii或接收激光Id的照射点的直径改变，或者发射激光照射点Pi或接收激光照射点Pd的位置改变。这导致待产生的超声波的激发效率降低、接收灵敏度降低、在如孔径合成处理的信号处理时执行的使用位置信息的校正处理中的误差，该误差构成影响灵敏度的因素。

根据本实施例，通过使用距离测量机构23来测量距离的改变，并将测量结果分别反馈给发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12，以便将它们之间的距离调整至最优值，从而可以防止灵敏度的降低。在含有超声信号的激光Ir被收集的情况下，距离改变会降低灵敏度。为了防止这一问题，测量距离改变量，并将测量结果反馈至光学路径调整功能元件以确保最优的照射距离。根据本实施例，可以提供一种能够防止灵敏度降低并提供高灵敏度检查结果的系统。

[第七实施例]

图22是示意性示出根据本发明的焊接系统的第七实施例的方框配置图。图23是示出图22的焊接系统中焊接部、发射激光照射点Pi、接收激光照射点Pd、被焊接对象上的照射图案等的平面图。

根据本实施例，焊接系统34是第一实施例的变型，且特征在于在第一实施例中增加图案投影机构15。

图案投影机构15利用激光光源、光学透镜、反射镜、狭缝和衍射光栅中的一个或组合，或者其他方法，将图案Ip投影到被焊接对象2的表面上。尽管被投影图案Ip是图23中所示的多条线排列的栅格形状或图案，但本发明不限于此。例如，图案Ip可以是一维或二维排列点的栅格形状或图案，或照射点可以排列在发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd的最优化位置。当然，可以采用其他图案。

由于被焊接对象2具有较高温度，对于操作者来说难以接近被焊接对象2，或者即使能够接近被焊接对象2，这样做也可能有危险。在使用波长落在可见光波长区域以外的非可见激光以确认超声波的发射/接收位置的情况下，通常，形成用作引导光的可见激光以相对其同轴的方式进入激光照射路径。在激光本身是可见的或者采用引导光使激光可见的任一情况下，可以在被焊接对象的表面上观察到激光照射点。

在测量了发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd的位置的情况下，可采用尺等测量距被焊接对象2的坡口的距离以及发射激光照射点Pi与接收激光照射点Pd之间的距离。然而，如上所述，当被焊接对象具有较高温度时这存在危险。因此，通过在测量发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd时照射图案Ip作为引导，能够促进位置测量，且获得的测量结果可以用于调整发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd的位置，或者用于数据分析。如上所述，本实施例的配置使得超声检查可以在高温环境下进行。

当使用红外照相机时，不必使图案Ip总是可见的。

[第八实施例]

图24是示出根据本发明的焊接系统的第八实施例中的保护机构及其周围部分的透视图。本实施例是例如第一实施例的变型，且特征在于发射光学机构9和接收光学机构10由耐热保护机构19遮盖。

保护机构19具有孔40，发射激光Ii、接收激光Id和反射/散射光Ir经过该孔。

由于在焊接操作期间产生烟尘或溅射，因此焊接经常在带尘环境下进行。因此，会存在灰尘不利地影响光学机构从而使灵敏度降低，或使设备不稳定的情况，而且最坏的情况是设备故障。同时，被焊接对象2的高温会损害光学系统9和10。因此，提供为光学机构防尘的耐热保护机构19，从而避免了上述不利影响。根据本实施例，可以提出一种能够防止灵敏度降低并提供高灵敏度检查结果的系统。

[第九实施例]

图25是示意性示出根据本发明的焊接系统的第九实施例的方框配置图。

本实施例是第一实施例的变型，与第一实施例的不同之处在于，新提供了参考信号光学机构60和参考信号光学系统驱动机构61。在图25中，省略了在图1中示出的焊接机构1、焊接控制机构3以及它们的相关信号线。

参考信号光学机构60由发射自发射激光源4的发射激光Ii的一部分产生参考信号激光Iref，并将产生的参考信号激光Iref传输至被焊接对象2的表面上参考信号激光照射点Pref。参考信号激光照射点Pref设置在与发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd不同的位置。接收激光照射点Pd和参考信号激光照射点Pref优选设置在相对于焊缝的同一侧，并且发射激光照射点Pi设置在相当于焊缝的与接收激光照射点Pd和参考信号激光照射点Pref的不同侧。

参考信号光学系统驱动机构61驱动参考信号光学机构60，并设计为结合发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12，连同焊接机构1（如图1）一起在焊接方向上相对于被焊接对象2移动。

从发射激光源4发射的发射激光Ii经过发射光学机构9并照射到被焊接对象2的表面上的发射激光照射点Pi。此时，由于对抗热应力或表层磨损的反作用力而产生超声波Ui。产生的超声波Ui包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波Ui。当产生的超声波Ui到达不良焊接部或被焊接对象的底面时，传播路径由于超声波Ui的反射、散射和折射而改变，并且超声波Ui作为响应超声波Ur从不良焊接部返回。产生的响应超声波包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波Ur。

并且，从发射激光源4发射的发射激光Ii进入参考信号光学机构60。参考信号光学机构60根据发射激光Ii的一部分产生参考信号激光Iref，并且产生的参考信号激光Iref照射到被焊接对象2的表面上的参考信号激光照射点Pref。此时，由于对抗热应力或表层磨损而产生的反作用力，产生参考信号Uref。所产生的参考信号Uref包括各种模式，比如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波Uref。

同时，从接收激光源5发射的接收激光Id经过接收光学机构10并照射到被焊接对象2的表面上的接收激光照射点Pd。此时，当超声波Ur和Uref到达接收激光照射点Pd，接收激光Id经过幅度调制或相位调制，或者反射角的改变，并作为包含超声信号分量的散射/反射激光Ir被反射。

具有超声信号的激光Ir由光学机构10再次收集，而后传输至干涉仪6。带有超声分量的光学信号由干涉仪6转换成电信号，而后由数据记录/分析机构7存储作为超声波数据。

数据记录/分析机构7可对所获得的超声信号应用平均处理、移动平均处理、滤波、FFT（快速傅里叶变换）、小波变换、孔径合成处理及其他信号处理。利用峰值检测、积分、RMS或其他检测方法能够测量所获得的参考信号Uref的强度。并且，利用参考信号Uref的信号强度、焊接位置信息、照射位置信息、温度信息等能够校正超声信号。而且，通过对校正后的信号强度进行归一化并将归一化的信号强度应用到DAC曲线、DGS图、或由校准TP产生的其他校准曲线，可量化地评估所检测的缺陷。可能存在参考信号Uref在某待测量区域重叠的情况；然而，在这种情况下，可以将参考信号Uref作为出现在已知时间区域的信号取消。

在此将描述第九实施例的优点。在上述第一实施例中，没有提供作为用于量化评估缺陷的参考的单独声音源。在上述情况下，在以激光干涉仪为代表的测量系统中出现显著波动，因此尽管可以进行缺陷检查，但难以对其进行量化评估，导致无法对焊接部的有效性进行精确评估。尽管可以考虑使用来自底表面的反射波，但是由于穿透形状的差异并不总是获得均匀的反射波，因此精度降低。

在第九实施例中，除了发射激光Ii和接收激光Id的照射以外，参考信号激光Iref也照射到接收激光照射点Pd附近的参考信号激光照射点Pref。

参考信号Uref沿被焊接对象2的表面传播，并与超声波Ui一起由接收激光Id接收。激光超声波受到测量系统波动的显著影响，特别是受到接收端的灵敏度波动的显著影响。因此，以恒定强度激发并沿固定传播路径传播的参考信号Uref的接收使得可以量化接收端的波动并且利用参考信号Uref的强度的归一化可以再次校正测量后的波动。利用这一配置，可以量化表示信号强度，从而实现基于诸如DAC曲线或DGS图的校准曲线执行缺陷的量化评估。

图26是示出由根据第九实施例的焊接系统（图25）获得的测量结果的示例的曲线图。图27是示出通过直接处理图26的测量结果获得的二维截面数据的示例的视图。如图26和27所示，在参考信号Uref位于测量区域附近的情况下，参考信号Uref会作为鬼像出现在测量结果中。这样的鬼像会造成错误检测。

为了处理参考信号Uref的鬼像出现在已知时间区域的情况，设定取消Uref的时间帧，由此可降低鬼像对测量结果的影响。图28所示为通过从图23的测量结果取消Uref得到的结果的示例的曲线图。图29为示出由图28的测量结果得到的二维截面数据的示例的视图。

在以上描述中，参考信号激光Iref是从发射激光Ii中分离出的；可替代地，作为一种变型，参考信号激光Iref可从与发射激光源4分开提供的参考信号激光源产生。

[第十实施例]

本实施例是在根据第二实施例的焊接系统（参见图8至图11）上增加根据第九实施例的焊接系统（图25）的参考信号光学机构60和参考信号光学系统驱动机构61获得的。

在第十实施例中，提供研磨机构14a作为表面改性机构，如在第二实施例中的，并且通过研磨机构14a修复在被焊接对象4的表面上由发射激光Ii、接收激光Id和参考信号激光Iref形成的浅坡口。并且，如在第九实施例的情况，参考信号Uref的接收使得能够对被焊接对象2的表面上的缺陷进行量化评估。

【其他实施例】

尽管本发明的优选实施例已在上面描述，但这些实施例仅仅是示例性的且不限制本发明的范围。这些新颖的实施例能以其他各种形式实施，可在本发明的范围内作出各种省略、替代和改变。因此，实施例及其改进包含在本发明的范围或精神内以及所付权利要求及其等同物内。

例如，实施例的特征可以结合。更具体地，第二和第三实施例的表面改性机构可以增加到第四至第八实施例。

而且，第九和第十实施例的参考信号光学机构60和参考信号光学驱动机构61可以增加到第三至第八实施例中。

尽管在以上描述中采用了术语“平面图”和“垂直截面图”，但它们仅仅用于描述性目的，而且在本发明中并未特别限定垂直或水平方向。

Claims

1.一种焊接系统，包括：焊接机构，其在沿着焊缝相对于被焊接对象移动的同时，对所述被焊接对象进行焊接；发射激光源，其产生发射激光；发射光学机构；接收激光源；接收光学机构；干涉仪；数据记录/分析机构；

其特征在于，

所述焊接系统还包括参考信号光学机构，并且

所述干涉仪对所散射/反射的激光进行干涉测量；

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中，

所述参考信号光学机构具有从所述发射激光的一部分来产生所述参考信号激光的功能。

3.根据权利要求1所述的焊接系统，其中，

所述接收激光照射位置和所述参考信号激光照射位置设置在相对于所述焊缝的同一侧，并且所述发射激光照射位置设置在相对于所述焊缝的与所述接收激光照射位置和所述参考信号激光照射位置的不同侧。