CN102615423B - 基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，本发明针对镀锌钢激光焊接过程中锌层易气化成大量锌蒸气，锌蒸气使得焊接过程易产生多种焊接缺陷，如焊缝气孔、凹陷等的问题，在添加铜粉抑制锌蒸气产生的基础上，利用焊接过程谱线Cu I 324.8nm的强度，实时检测镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷，同时通过自动调整工艺参数控制焊接过程，避免焊接气孔的出现，本发明实现了对激光填粉焊接进行实时监控的目的，保证了填粉焊接的质量，对实际生产具有重大的意义。

Description

基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法

技术领域

本发明涉及激光焊接过程中焊接缺陷在线监控领域，具体是一种基于谱线Cu I 324.8nm的强度的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线监控方法。

背景技术

国内方面，清华大学国静等人利用轴向光传感器采集同轴光致等离子体光信号来实现激光焊接熔透检测，研究发现板厚一定的时候，同轴光信号强度随着线能量的增加而增加，而同轴光信号的频心与激光功率之间的对应关系则恰好相反；华中科技大学段爱琴，胡伦骥等人通过对伴随激光深熔焊接所存在的光致等离子体的蓝紫光信号相对强度的监测，以判断焊缝的熔透性。研究表明，焊缝的熔透性与光致等离子体光信号的累积强度有对应关系，当焊缝全部熔透时，光信号稳定性非常好，而一旦焊缝未熔透或熔透性差时，光信号会产生极大的波动，同时他们还研究了利用光致等离子体声信号监测激光焊缝的熔透性，发现焊缝熔透状态不同，其熔池上方的光致等离子体声信号的强度明显不同，熔透时，声信号强度低得多；在焊缝的熔透趋于跳动状态或未熔透时，声信号强度明显增强；曾浩等人利用小波变换对拾取的激光焊接等离子体的AE(Acoustic Emission)信号进行信号分析，并对小波分解后得到的细节信号进一步处理，在此基础上提取的曲线很好地反映了激光焊接过程的状态变化，能够快速地检测观察焊接缺陷，说明利用声信号实现对激光焊接质量控制是可行的；王春明等人研究了非穿透激光深熔焊熔深与等离子体光信号的关系，通过改变激光功率和焊接速度来获得不同焊缝熔深，采用光电传感器采集等离子体的特征光信号；唐霞辉等人借鉴熔炼材料的激光焊接方法，结合粉末冶金材料特点对高功率CO₂激光焊接粉末冶金材料的等离子体行为及控制方法进行了实验研究。在同样焊接条件下观察到三种材料的等离子体光强信号幅值有明显区别，Ni粉蓝光最强，检测信号的平均幅值最高，Co粉次之，Fe粉最弱。

英国曼彻斯特大学Li和利物浦大学W M Steen最早设计了PCS传感器来测量光致等离子体的温度；Hong ping Gu等检测并分析了小孔前沿的红外辐射和等离子体紫外信号，发现小孔前沿的紫外辐射信号强度与焊缝宽度成一定关系；Migamoto则采用光电二极管检测连续激光焊接等离子体在控制和未控制情况下的动态行为，根据等离子体波形起伏可初步判断焊缝穿透情况和焊接质量；D.Maischner等，开发了一种从工件上方和下方的金属蒸气等离子体光信号特征确定焊接熔透性的方法在下方，监测信号与小孔开合同步时的有无，在上方，金属蒸气等离子体光信号的波动频率与穿透性相关；S.Postma等设计了一种碳钢熔透性的反馈控制器，主要用于YAG激光焊接，这一系统主要基于对熔池光信号的测量，并用激光功率作为激励器，光探测器通过带宽为500Hz的低通滤波分析器，信号采集频率20kHz，由DSP计算并控制；

上述研究采用多种方法对焊接过程的焊接情况进行了检测，然而没有对镀锌钢激光添粉焊接过程中出现的特殊焊接缺陷-气孔做相关研究，不能很好地实现对激光填粉焊接进行实时监控的目的和保证填粉焊接的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于Cu I 324.8nm等离子体光谱信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法，实现对激光填粉焊接进行实时监控的目的，保证填粉焊接的质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于Cu I 324.8nm等离子体光谱信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法，包括焊接缺陷在线诊断装置，焊接缺陷在线诊断装置包括工作台、固定在工作台上的镀锌钢(1)、计算机(5)、激光器(6)，所述镀锌钢(1)焊接部位正上方设有焊接头(2)，焊接头(2)内设有聚焦镜，镀锌钢(1)焊接部位侧上方设有一个以上光电探测器(4)，光电探测器(4)与计算机(5)连接，计算机(5)与激光器(6)连接，该方法为：激光束聚焦后对镀锌钢(1)进行激光焊接，同时向焊接处添加铜粉；利用光电探测器(4)通过激光束成像透镜(10)和带通滤波片(11)采集镀锌钢(1)激光添粉焊接过程中的Cu I 324.8nm等离子体光谱信号，分析所采集的光谱信号，监测Cu I 324.8nm谱线的相对强度变化：当谱线Cu I 324.8nm的强度I为背景光强度的时候无焊接缺陷产生；当谱线Cu I 324.8nm的强度突然陡增时，则判定焊缝中将出现焊接气孔，同时计算机(5)在谱线CuI 324.8nm的强度突然增大时实时调整焊接工艺参数。

背景光强度数值通常为20以内。

所述工艺参数为激光功率、焊接速度、送粉量、离焦量。

所述光电探测器(4)的采集频率不小于100Hz。

激光焊接过程本质为一动态波动过程，只有稳定的动态波动焊接过程才能得到良好的焊缝，而对应此时的等离子体光谱强度也是处于动态稳定波动状态，因此在对应元素特定谱线强度波动平稳时不产生焊接缺陷，当谱线强度突然变化时，就会产生焊接缺陷。

采用添粉焊接能够减少焊接过程飞焊接缺陷，所添加的粉末为铜粉，粉末添加的方式为同步送粉或预先添粉，其中同步送粉方式可采用同轴送粉、侧向送粉两种。

所添加粉末材料被电离产生的特征元素等离子体光信号与焊接缺陷的关联之一：镀锌钢激光焊接过程中，由于镀锌层的极易气化产生大量锌蒸气，影响焊接稳定性，使得焊接过程易产生多种焊接缺陷，为解决因锌蒸气而产生的焊接缺陷，可采用在焊接过程中添加特殊元素使镀锌层与添加的材料反应形成冶金固溶体，将锌保存在焊缝中，减少锌蒸气的产生，从而减少锌蒸气引起的焊接缺陷，当所添加的粉末材料电离较少时，此时对应的熔融的添加粉末材料少，对焊接过程中大量的锌蒸汽的抑制作用小，以致大量的锌蒸汽的存在对焊接过程产生不利的影响，从而产生焊接缺陷；而所添加的粉末材料电离较多时，此时对应的熔融的添加粉末材料多，此时对焊接过程中大量的锌蒸汽的产生有很大的抑制作用，但是由于大量异种材料的增加会使得焊缝的机械性能发生改变，而所添加粉末材料的电离多少与粉末的添加量和添加方式有很大的关系，由此可知，焊接过程中适当的熔融粉末也就是只有适当的粉末添加量和填粉方式才能得到理想的焊接效果，对所添加的粉末量的监测是观测是否得到理想焊接效果的重要手段，而本发明所述的基于谱线Cu I 324.8nm的强度的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法是实现在线监测的有效方法，并通过监测到的谱线Cu I 324.8nm的强度变化信息，计算机将会及时的优化焊接工艺参数，实现对焊接过程的在线监测和控制。

所添加粉末材料被电离产生的特征元素等离子体光信号与焊接缺陷的关联之二：图4为谱线强度曲线与焊缝气孔的对应关系图。通过分析沿焊缝方向截面的有无气孔变化和Cu I 324.8nm谱线强度变化曲线，发现当谱线Cu I 324.8nm的强度I基本为零的时候无焊接缺陷产生，当谱线CuI 324.8nm的强度出现某个峰值时，则焊缝处对应时刻出现了焊接气孔。这是因为焊缝的形成过程中，当出现气孔时，Cu元素会向气孔处偏析积聚，使得气孔处铜元素含量增加，而气孔类似高能量聚集的“能量黑体”，激光能量在气孔处利用率增加，为气孔壁完全吸收，易于使铜元素熔化、汽化，而由Boltzmann分布定律可知：电离原子数越多，谱线强度越高。因此激光焊接过程中产生的Cu I 324.8nm等离子体光信号可以用来有效监测镀锌钢添加铜粉焊接过程中气孔的产生。

本发明针对镀锌钢激光焊接过程中锌层易气化成大量锌蒸气，锌蒸气使得焊接过程易产生多种焊接缺陷，如焊缝气孔、凹陷等，在添加铜粉抑制锌蒸气产生的基础上，利用焊接过程谱线Cu I 324.8nm的强度实时检测镀锌钢激光添粉焊接过程中的焊接缺陷，同时通过自动调整工艺参数控制焊接过程，避免焊接气孔的出现，本发明实现了对激光填粉焊接进行实时监控的目的，保证了填粉焊接的质量，对实际生产具有重大的意义；本发明只需采集谱线Cu I 324.8nm等离子体光谱信号对激光焊接过程中的添粉量进行在线监测，检测方法便捷，且可通过分析谱线Cu I 324.8nm强度变化实时判断出焊接缺陷是否出现及出现的时刻，并可及时修改焊接工艺参数以避免气孔的出现，此发明同时实现了激光填粉焊接中焊接小孔的检测和控制，在实际生产中解决焊接缺陷难题上实现重大的突破。

附图说明

图1为本发明一实施例焊接缺陷在线诊断装置结构框图；

图2为本发明一实施例预先添粉原理图；

图3为本发明一实施例同步送粉原理图；

图4为本发明一实施例焊接气孔与CuI324.8nm谱线相对强度的对应关系图；(a)Cu元素重量百分数为1.6％时焊接气孔与CuI324.8nm谱线相对强度的对应关系图；(b)Cu元素重量百分数为2.33％时焊接气孔与CuI324.8nm谱线相对强度的对应关系图；(c)Cu元素重量百分数为3.35％时焊接气孔与CuI324.8nm谱线相对强度的对应关系图；(d)Cu元素重量百分数为4.75％时焊接气孔与CuI324.8nm谱线相对强度的对应关系图；(e)Cu元素重量百分数为6.86％时焊接气孔与CuI324.8nm谱线相对强度的对应关系图；

其中：

1：镀锌钢；2：焊接头；3：焊缝；4：单波长光电探测器；5：计算机；6：激光器；7：送粉器；8：等离子体；9：焊接方向；10：激光束成像透镜；11：带同滤波片；12：预置铜粉；13：侧向送粉。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例焊接缺陷在线诊断装置包括工作台、固定在工作台上的镀锌钢1，所述镀锌钢1焊接部位正上方设有焊接头2，焊接头2内设有聚焦镜，焊接头2上固定有镀锌钢激光添粉焊接的送粉器7(型号：wi77544、IGS-3、IGS-3X等)，镀锌钢1焊接部位侧上方分别设有激光束成像透镜10、带同滤波片11(中心波长324.8nm)和光电探测器4(硅光电二极管)组成的单波长光电探测器组件，单波长光电探测器通过光纤与一用于保存并显示采集的等离子体光信号的计算机5相连，计算机5与激光器6(DC025型板条式CO2激光器)连接。

如图1和2所示，粉末添加的方式为预先添粉或同步送粉，本实施例采用如图2所示的同步送粉方式中的侧向送粉，且粉末由光束前方送入焊接部位，等离子体光信号采集采用单波长光电探测器，探测器位于焊接部位上方与激光束成一角度，从焊接小孔上方采集谱线Cu I 324.8nm等离子体光信号，单波长光电探测器组件所采集的为谱线Cu I 324.8nm等离子体光信号，单波长光电探测器组件布置的高度和角度及探测器的个数由所需采集的信号数量、信号强弱等决定，所采集的谱线Cu I 324.8nm等离子体光信号保存并显示在计算机5中。

本是实施例中，基于Cu I 324.8nm等离子体光谱信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法的步骤为：激光束聚焦后对镀锌钢1进行激光焊接，同时向焊接处添加铜粉；利用单波长光电探测器组件采集镀锌钢1激光添粉焊接过程中的Cu I 324.8nm等离子体光谱信号，分析所采集的光谱信号，监测Cu I 324.8nm谱线的相对强度变化：当谱线Cu I324.8nm的强度I为背景光强度(其数值通常为20以内)的时候无焊接缺陷产生；当谱线Cu I 324.8nm的强度突然增大时，则判定焊缝中将出现焊接气孔，同时计算机5在谱线Cu I 324.8nm的强度突然增大时自动调整焊接的工艺参数，然后将优化后的工艺参数反馈给激光器，焊接继续进行。

焊接过程中所述单波长光电探测器组件采集了谱线Cu I 324.8nm的等离子体光谱强度，镀锌钢激光焊接中，锌的蒸气量减少有利于焊接缺陷产生概率的降低，添加材料铜与锌产生的固熔体可以直接减少锌的蒸发，因而Cu元素等离子体光信号在产生焊接气孔时会出现剧烈波动，在大量实验的基础上我们已得出谱线Cu I 324.8nm的强度变化与焊接气孔的出现有很明显的关系，本实施例的研究过程中采用体视镜观察焊缝纵截面的形貌，同时采用了多个单波长光电探测器组件在线监测了铜粉不同添加量下谱线Cu I 324.8nm的强度：图4为用单波长光电探测器组件采集的特征元素等离子体光信号为谱线Cu I 324.8nm的强度变化图，其中Cu元素重量百分数分别为1.6％、2.33％、3.35％、4.75％、6.86％。

通过对比上述采集得到的在不同填粉量的情况下，谱线Cu I 324.8nm的强度的变化同在线实时诊断焊接缺陷得到的一致的特征：当谱线Cu I324.8nm的强度出现某个峰值时，则焊缝处对应时刻出现了焊接气孔，谱线Cu I 324.8nm的强度变化同时也对应锌蒸气的量，锌蒸汽与熔融的Cu形成固溶体，如果Cu I 324.8nm的等离子体信号强度I为背景光强度(其数值通常为20以内)时，则焊接中产生的大量锌蒸汽将与熔融的Cu稳定的形成大量的固溶体，锌蒸汽对焊接的影响作用减小，焊接中产生气孔的概率减小；如果Cu I 324.8nm的等离子体信号发生剧烈波动，则锌蒸汽与熔融的Cu形成的固溶体不稳定，此时由于有大量的锌蒸汽存在，对焊接过程造成很大不利的影响，焊接过程中就会有气孔产生，因为在镀锌钢1激光焊接过程中，锌与铜可发生反应形成锌与铜的固溶体，减少了锌蒸气从而减少了焊缝中的气孔，铜粉的送粉速度控制可由送粉器粗略控制。

焊接缺陷主要是指焊缝表面的气孔、凹陷，而焊缝表面的气孔的形成主要是由于镀层锌处的锌极易汽化产生大量的锌蒸汽影响所致，镀锌钢镀锌层的作用为防止钢材腐蚀，焊接过程中锌的减少必定对镀锌钢镀锌层的防腐蚀性能有所降低；在焊接过程中添加的铜粉可与镀锌层发生反应形成固溶体，从而将锌保存在焊缝当中，抑制锌蒸汽的形成，进而降低因锌蒸汽的存在而导致焊接气孔的出现，检测Cu I 324.8nm等离子体辐射光谱信号强度，反应被抑制的锌蒸汽量。

通过分析沿焊缝方向截面的有无气孔变化和Cu I 324.8nm谱线强度变化曲线，发现当谱线Cu I 324.8nm的强度出现某个峰值时，则焊缝处对应时刻出现了焊接气孔，这是因为焊缝的形成过程中，当出现气孔时，铜元素会向气孔处偏析积聚，使得气孔处铜元素含量增加，而气孔类似高能量聚集的“能量黑体”，激光能量在气孔处利用率增加，为气孔壁完全吸收，易于使铜元素熔化、汽化，而由Boltzmann分布定律可知：电离原子数越多，谱线强度越高，因此激光焊接过程中产生的Cu I 324.8nm等离子体光信号可以用来有效监测镀锌钢添加铜粉焊接过程中气孔的产生。

以上所需要的光敏传感器必须有足够快的信号采集频率，以得到连续的信号变化特征，其采集频率不小于100Hz。

Claims (5)

1.一种基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，包括焊接缺陷在线诊断装置，焊接缺陷在线诊断装置包括工作台、固定在工作台上的镀锌钢（1）、计算机（5）、激光器（6），所述镀锌钢（1）焊接部位正上方设有焊接头（2），焊接头（2）内设有聚焦镜，镀锌钢（1）焊接部位侧上方设有一个以上光电探测器（4），光电探测器（4）与计算机（5）连接，计算机（5）与激光器（6）连接，其特征在于，该方法为：激光束聚焦后对镀锌钢（1）进行激光焊接，同时向焊接处添加铜粉；利用光电探测器（4）通过激光束成像透镜（10）和带通滤波片（11）采集镀锌钢（1）激光添粉焊接过程中的CuⅠ324.8nm等离子体光谱信号，分析所采集的光谱信号，监测CuⅠ324.8 nm 谱线的相对强度变化：当谱线CuⅠ324.8nm的强度I为背景光强度的时候无焊接缺陷产生；当谱线CuⅠ324.8nm的强度突然陡增时，则判定焊缝中将出现焊接气孔，同时计算机（5）在谱线CuⅠ324.8nm的强度突然增大时实时调整焊接工艺参数。

2.根据权利要求1所述的基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，其特征在于，所述焊接工艺参数为激光功率、焊接速度、送粉量、离焦量。

3.根据权利要求1所述的基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，其特征在于，所述光电探测器（4）的采集频率不小于100 Hz。

4.根据权利要求1所述的基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，其特征在于，所述光电探测器为单波长光电探测器组件。

5.根据权利要求1所述的基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，其特征在于，所述光电探测器通过光纤与计算机连接。

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