CN102990225A - 一种实时检测激光焊接质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时检测激光焊接质量的方法，声信号采集系统对激光焊接声信号进行实时采集并存储；计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行分析计算，将激光焊接特征声信号从噪声源中分离出来，并获取空间辐射声场声压级强度的分布图；熔池小孔监测系统过滤光信号的干扰，拍摄熔池小孔图像并存储；计算机将所述空间辐射声场声压级强度的分布图叠加到所述熔池小孔图像中，获取在某一时刻声压级强度和熔池小孔形态，并与预设正常焊接情况下的声压级强度以及熔池小孔的形态进行对比，确定激光焊接的质量。本方法实现了实时的观察到小孔的状态，提高了激光焊接质量。

Description

一种实时检测激光焊接质量的方法

技术领域

本发明涉及对激光焊接质量的检测，尤其涉及一种实时检测激光焊接质量的方法。

背景技术

激光焊接作为一种先进的连接技术，具有焊接速度快和焊缝成形好等优点，被广泛应用于各个领域中。然而激光焊接过程是一种非常复杂的物理化学反应的过程，例如：熔池小孔和激光等离子体的产生及其对激光的折射、发射和吸收等，这些因素的变化对焊接的质量都有很大的影响；而且，当经过了长时间的连续焊接后，焊件受热产生的变形会导致焊缝间隙的变化；在热透镜效应的影响下，聚焦透镜在受热变形后也会导致焦距发生变化，这些因素的改变都会影响激光焊接质量的稳定性，因此，建立一种激光焊接质量检测的装置是非常有意义的。

目前，与激光焊接过程稳定性以及焊接质量好坏相关的并且已经被用于检测研究的信号主要有声信号、光信号、电信号以及超声波信号等。其中声信号主要包括人们能够听到的声音频率范围内的信号；光信号主要是激光等离子体辐射的紫外光和可见光信号以及熔池小孔辐射的红外信号；电信号主要是激光等离子体振荡引起焊接区域电场变化产生的；超声波信号主要来自于工件内部或外光路的镜片。这些信号都可以不同程度的用来检测激光焊接的质量。就目前来说，有些检测方法具有很大的局限性，例如：光信号检测要求焊接过程中的光信号非常明确，而且可能会影响整个光学系统的稳定性；电信号只能用于过程的监测；超声波信号要求传感器与所监测的位置紧密接触，不易安装等。

就目前而言，大多数学者都倾向于选择声信号参量来检测激光焊接的质量。由于采集声信号的传感器安装非常灵活，可以实现非接触的检测，而且声信号的产生与熔池小孔的形成与否有很大的关系，因此，可以说声信号在一定程度上能够直接反映出焊接质量的变化。曾经有学者采用单个的传声器测量焊接过程中的声信号，然后对其进行了研究。但是，由于在实际的激光焊接环境中，还包括冷却水箱、风刀等发出的噪声，这些噪声在采集过程中也作为声信号被采集起来，而在分析的过程中却一起作为声源来进行分析，这样严重影响激光焊接质量的检测。

因此，近年来，很多学者也开始利用传声器阵列来实时检测激光焊接的质量。这种方法大大提高了激光焊接质量检测的正确性。然而，激光产生的声信号主要是由于形成了熔池小孔的原因，仅采用传声器阵列可以在一定程度上检测其质量问题，却不能实时的观察到小孔的状态，而且经过分析后观察到的结果不直观，对激光焊接质量的检测产生了影响，不能保证激光焊接的质量。

发明内容

本发明提供了一种实时检测激光焊接质量的方法，实现了实时的观察到小孔的状态，提高了激光焊接质量，详见下文描述：

一种实时检测激光焊接质量的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）声信号采集系统对激光焊接声信号进行实时采集并存储；

（2）计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行分析计算，将激光焊接特征声信号从噪声源中分离出来，并获取空间辐射声场声压级强度的分布图；

（3）熔池小孔监测系统过滤光信号的干扰，拍摄熔池小孔图像并存储；

（4）计算机将所述空间辐射声压级强度分布图叠加到所述熔池小孔图像中，获取在某一时刻声压级强度和熔池小孔形态，并与预设正常焊接情况下的声压级强度以及熔池小孔的形态进行对比，确定激光焊接的质量。

所述声信号采集系统包括：传声器、声信号采集卡和工控机，

所述传声器呈阵列排列，对所述激光焊接声信号进行采集，并传输至所述声信号采集卡和所述工控机，所述声信号采集卡和所述工控机对所述激光焊接声信号进行存储。

所述计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行分析计算，将激光焊接特征声信号从噪声源中分离出来，并获取空间辐射声压级强度分布图具体为：

1）计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行零均值化处理，获取零均值化后的信号x_0i(t）；

2）对所述零均值化后的信号x_0i(t)进行主成分分析，获取前m个混合信号；

3）对所述前m个混合信号进行独立分量分析，获取独立源信号的近似源信号s(t)；

4）利用波束形成算法对所述近似源信号s(t)的辐射声压级进行计算，获取所述空间辐射声压级强度分布图。

所述对零均值化后的信号x_0i(t)进行主成分分析，获取前m个混合信号具体为：

（1）求出零均值化后的信号x_0i(t)的协方差矩阵R_xx；

（2）计算所述协方差矩阵R_xx的全部特征值；

（3）假设n个特征信号y₁,y₂,…,y_n，满足y=[y₁,y₂,…,y_n]^T=[γ₁,γ₂,…γ_n]^Tx，x为零均值化后的任意混合信号；

（4）定义第i个特征信号y_i的方差贡献率为

则前m个特征信号y₁,y₂,…,y_m的累积方差贡献率为

（5）如果前m个特征信号的累积方差贡献率大于75%，则取前m个特征信号来分析，舍弃余下的(n-m）个特征信号。

所述对前m个混合信号进行独立分量分析，获取独立源信号的近似源信号s(t）具体为：

（1）将前m个混合信号记为Y(t)=[y₁(t),y₂(t),…,y_m(t)]^T；

（2）根据信号Y(t)选取随机向量W的初始值，使得变换后近似源信号s(t)与信号Y(t)之间满足：s(t)=WY(t)。

所述利用波束形成算法对近似源信号s(t）的辐射声压级进行计算，获取所述空间辐射声压级强度分布图具体为：

（1）将每个传声器接收的近似源信号s_i(t)均补偿τ_i，即s_i(t+τ_i)，将声源处的声信号对齐；

（2）将所有补偿后的混合信号s_i(t+τ_i)相加，获取空间辐射声压级强度分布图。

所述熔池小孔监测系统包括：CCD相机、滤光片、视频图像采集卡和存储装置；

所述滤光片过滤光信号之后，所述CCD相机拍摄所述熔池小孔图像，所述视频图像采集卡和所述存储装置接收所述熔池小孔图像并进行存储。

本发明提供的技术方案的有益效果是：利用CCD相机拍摄熔池小孔图像信号的同时，利用传声器将该过程中产生的声信号采集起来，利用零均值化和独立分量分析将熔池小孔的声信号分离出来，以分离出来的熔池小孔声信号以及熔池小孔的图像信号作为检测参量，对激光焊接质量进行实时检测。由于本发明的设备采用的是工业CCD相机，采集的图片帧数较少，可以利用高速摄影获取更加清晰有效的图片，而传声器采用阵列排布，且只用了8通道传声器，可以沿着焊缝采用二维的传声器来采集更加清晰的声信号，从而使得激光焊接质量检测更加精确。

附图说明

图1为声信号采集系统和熔池小孔监测系统的结构示意图；

图2为激光焊接试样的示意图；

图3为采集的声信号数据显示图；

图4为正常熔池小孔图像信号的数据显示图；

图5为经过独立分量分析处理后的激光声信号图；

图6为经过波束形成算法分析后得到的升压图；

图7为缺陷焊接获取到的激光声信号图；

图8为缺陷焊接获取到的熔池小孔图像；

图9为一种实时检测激光焊接质量的方法的流程图。

附图中，各标号的部件列表如下：

1：声信号采集系统；                    2：熔池小孔监测系统；

11：传声器；                           12：声信号采集卡；

13：工控机；                           21：CCD相机；

22：滤光片；                           23：视频图像采集卡；

24：存储装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现实时的观察到小孔的状态，提高激光焊接质量，本发明实施例提供了一种实时检测激光焊接质量的方法，参见图1、图2和图9，详见下文描述：

101：声信号采集系统1对激光焊接声信号进行实时采集并存储；

其中，声信号采集系统1包括：传声器11、声信号采集卡12和工控机13，传声器11呈阵列排列，对激光焊接声信号进行采集，并传输至采集卡12和工控机13，采集卡12和工控机13对激光焊接声信号进行存储。具体实现时，传声器11的个数根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例采用的传声器11的数量为8个，传声器11沿焊缝方向呈等间距阵列分布，相邻两传声器11间距优选为10mm，阵列与焊缝的水平距离优选为90mm。

102：计算机对激光焊接声信号和噪声源信号进行分析计算，将激光焊接特征声信号从噪声源中分离出来，并获取空间辐射声压级强度分布图；

其中，该步骤具体为：

1）计算机对激光焊接声信号和噪声源信号进行零均值化处理，获取零均值化后的信号x_0i(t）；

零均值化是将采集的混合信号x(t）（由激光焊接声信号和噪声源信号组成），x(t)=[x₁(t),x₂(t),…,x_n(t)]^T，t=1,2,…,N进行零均值化；n为独立源信号的个数；N为x(t）的N个样本。

i＝1,2,…,n，x_0i(t)即为混合信号零均值化后的数据。

2）对零均值化后的信号x_0i(t)进行主成分分析，获取前m个混合信号；

（1）求出零均值化后的信号x_0i(t)的协方差矩阵R_xx；

（2）计算协方差矩阵R_xx的全部特征值；

先对协方差矩阵R_xx进行特征值分解R_xx=Q∑²Q^T，其中Q为正交矩阵，∑²为对角矩阵，则可得出R_xx的特征值为λ₁,λ₂，…,λ_n，并将特征值按照从大到小的顺序排列，即：λ₁≥λ₂≥…≥λ_n，其对应的特征向量为γ₁,γ₂,…,γ_n。

（3）假设n个特征信号y₁,y₂,…,y_n，满足y=[y₁,y₂,…,y_n]^T=[γ₁,γ₂,…γ_n]^T x，x为零均值化后的任意混合信号；

（4）定义第i个特征信号y_i的方差贡献率为

则前m个特征信号y₁,y₂,…,y_m的累积方差贡献率为

（5）如果前m个特征信号的累积方差贡献率大于75%，则取前m个特征信号来分析，舍弃余下的(n-m）个特征信号。

3)对前m个混合信号进行独立分量分析，获取独立源信号的近似源信号s(t)；

（1）将前m个混合信号记为Y(t)=[y₁(t),y₂(t),…,y_m(t)]^T；

（2）根据信号Y(t）选取随机向量W的初始值，使得变换后近似源信号s(t）与信号Y(t)之间满足：s(t)=WY(t)；

即采用近似牛顿迭代法，对随机向量W进行调整，使其对应的投影W^TY(t）的非高斯性最大化，获取随机向量W的最终值；将最终值带入s(t)＝WY(t)中，得到独立源信号的近似源信号s(t）。

其中，对随机向量W进行调整具体为：

迭代公式为：W⁺=E{xg(W^Tx)}-E{g′(W^Tx)}W，其中g和g′分别为非二次函数

的一次导数和二次导数，E为求取期望的运算。经过迭代计算，当相邻两次的W差的绝对值小于或等于10^-5时，则停止迭代，从而得到分离矩阵W的最终值。

4）利用波束形成算法对近似源信号s(t）的辐射声压级进行计算，获取空间辐射声压级强度分布图。

其中，波束形成算法包括：时延补偿和加权求和处理，该步骤具体为：

（1）将每个传声器接收的近似源信号s_i(t)均补偿τ_i，即s_i(t+τ_i)，将声源处的声信号对齐；

时延补偿是由于声源与各个传声器之间的距离不相等，每个传声器接收到的声波都会有不同的时延，假设该时延为τ_i，在数学上可描述为s_i(t)=s(t-τ_i)+N_i(t)，其中s_i(t)和N_i(t)分别代表第i个传声器接收到的激光焊接特征声信号和均值为零的干扰。由于传声器阵列的结构以及声音在空气中的传播速度一定，因此，对空间的每处声源，均可利用几何知识获得一组相应的时延{τ_i}。

（2）将所有补偿后的混合信号s_i(t+τ_i)相加，获取空间辐射声压级强度分布图。

通过将所有补偿后的混合信号s_i(t+τ_i）相加得到干扰趋近于零的增强的声波，即可算出空间辐射声压级强度分布图。

103：熔池小孔监测系统2过滤光信号的干扰，拍摄熔池小孔的图像并存储；

其中，熔池小孔监测系统2包括CCD相机21、滤光片22、视频图像采集卡23和存储装置24；滤光片22过滤光信号之后，CCD相机21拍摄熔池小孔的图像，视频图像采集卡23和存储装置24接收熔池小孔的图像并进行存储。

104：计算机将空间辐射声压级强度分布图叠加到熔池小孔图像中，获取在某一时刻声压级强度和熔池小孔形态，并与预设正常焊接情况下的声压级强度以及熔池小孔的形态进行对比，确定激光焊接的质量。

实际应用时，熔池小孔决定了声压级强度的大小，当有熔池小孔存在时，声压级强度高；相反，当熔池小孔消失后，声压级强度低；因此通过熔池小孔和声压级强度共同确定激光焊接的质量。正常焊接情况下的声压级强度以及熔池小孔的形态根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

即通过上述步骤101-步骤104，可以得到激光焊接的缺陷，实时的确定了激光焊接的质量。

下面以具体的实施方式来验证本发明实施了提供的一种实时检测激光焊接质量的方法的可行性，详见下文描述：

考虑到激光焊接过程中声信号的频率范围一般在10KHz左右，结合传声器11在实际环境中的适用性，采用的传声器11为北京声望声电技术有限公司生产的MPA416型的驻极体式传声器，该传声器11灵敏度高，动态响应好，且本身带有前置放大器，可提供较强的输出信号。

从采集信号的通道个数、A/D转换器的转换精度、转换速率及最高采样频率出发，采用的采集卡12为美国国家仪器公司生产的PCI-4472动态信号数据采集卡，该采集卡12具有24位模数转换器，能同时采集8个通道的模拟输入信号，并具有嵌入式的可编程ICP，可直接插在计算机的扩展槽上进行数据的采集。

光学传感器具有灵敏度高、测量精度高、动态特性好等优点，而CCD集成光学器件的应用使得光学传感器又上升到了视频传感器的高度，结合国内外激光焊接图像信号拍摄的研究，本发明实例采用了photonfocus系列的相机，其型号为MV-D1024E-40-CL-12，该相机增加了传感器实时平场校正Flat fieldcorrection等功能，提高了图像的质量。

滤光片22是能够衰减光强，改变光谱成分或者限定振动面的一种光学零件，其作用主要是用来选取所需辐射波段的光学器件，结合熔池小孔以及等离子体发出的光信号特点，本发明实例采用了型号为BP527/10K的带通滤光片22，该滤光片22可让特定波段的光通过，让其余短波、长波波段截止或反射。

本发明实例中采用的焊接设备为JK2003SM型连续Nd：YAG激光器、冷却设备及焊接数控机床。在激光深熔焊过程中，形成的焊接熔池小孔等包含重要的反映焊接质量的信息，因此，拍摄高质量的熔池小孔图像是非常重要的，在本实例中，将CCD相机21的镜头拉到最长，使熔池的视场达到最大，以便观察熔池内部状态，将相机光圈调至最小，采用Low compression的Linlog模式，曝光时间为40.196。同时，传声器阵列中每个传声器11的间距以及传声器11与焊缝之间的距离对焊接质量的检测也有很大的影响，在本实例中传声器的11间距D为10mm，传声器阵列与焊缝的水平距离L为90mm，垂直高度H为115mm。在焊接过程中，考虑到材料对激光的吸收、反射等影响，本实例采用Q235钢，激光模式为连续焊接，激光功率为1500W，焊接速度为2mm/s，离焦量为0mm。用于焊接的工件尺寸如附图3所示，在工件的反面加工了一个凹槽，用于模拟焊接缺陷。

激光焊接过程中的声信号和熔池小孔的图像信号，分别通过传声器11和CCD相机21接收到后，分别在声信号采集卡12和视频图像采集卡23中进行A/D转换后，将数据分别存储起来，然后进行数据分析。焊接过程中采集的声信号波形图以及熔池小孔的图像分别如附图3和图4所示，图4为正常情况下的熔池小孔的形态。图3中，1是选择的采集卡物理通道，2是采样的频率，3是曲线0，对应的是通道1的声信号波形图，图中的曲线自上而下依次为曲线0到曲线7，对应的通道为1-8的声信号波形图。

通过对采集到的声信号进行零均值化和预处理后，得到的特征值如表1所示。

表1

序列数	λ1	λ2	λ3	λ4	λ5	λ6	λ7	λ8
									特征值	1.389	0.862	0.561	0.422	0.223	0.212	0.201	0.071

计算每个特征信号所对应的贡献率，计算结果如表2所示。

表2

序列数	λ1	λ2	λ3	λ4	λ5	λ6	λ7	λ8
									贡献率(%）	35.61	21.51	14.41	10.52	5.61	5.39	5.11	1.79

经过计算，可以发现前4个特征信号的总方差贡献率之和为82%，所以在本发明实例中选用4个特征信号来进行计算，将其余4个信号除去。得到的新向量为：Y(t)=[y₁(t),y₂(t),y₃(t),y₄(t)]^T。

采用ICA算法对新向量Y(t)=[y₁(t),y₂(t),y₃(t),y₄(t)]^T进行分离处理。选择初始向量W=[1,1,1,1]^T，非二次函数

通过迭代函数W⁺=E{xg(W^Tx)}-E{g′(W^Tx)}W采用牛顿近似迭代法进行计算，将得到的分离向量的值，带入s(t）＝WY(t)，最终得到源信号的近似信号s(t）如附图5所示。

从图5中可以看到，通过传声器阵列采集的声信号经过本方法的数据处理后，激光声信号在图中有一段区域有明显减弱的现象。而这个区域所对应的时间段，正好是激光束运动到工件有凹槽的地方，此时由于凹槽的存在而产生的缺陷导致了声信号的减弱。

对传声器阵列作时延补偿。由

知（r_i为第i个传声器11到声源的距离，c为声速），各个传声器11到声源的距离与c都是已知的，算出每个传声器11对应的时延，然后进行补偿，得到补偿后的信号为s_i(t+τ_i)。

当波束在空间旋转时，如果在某一角度的信号输出最大，则该方向上存在目标信号源。则此时传声器阵列的输出信号为：其中，p_i(t+τ_i)为第i个传声器11在经过时延补偿后的声压级强度；k_i为第i个传声器11的加权因子。通过p(k,t)可计算出空间辐射声场声压级强度的分布图如附图6所示，通过附图6可以得出预设的正常焊接情况下的声压级强度。参见图7和图8，通过计算不同时刻的声压级强度和熔池小孔的形态，与预设的正常焊接情况下的声压级强度和熔池小孔进行比较，得到焊接的质量。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）声信号采集系统对激光焊接声信号进行实时采集并存储；

（2）计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行分析计算，将激光焊接特征声信号从噪声源中分离出来，并获取空间辐射声压级强度分布图；

（3）熔池小孔监测系统过滤光信号的干扰，拍摄熔池小孔图像并存储；

（4）计算机将所述空间辐射声压级强度分布图叠加到所述熔池小孔图像中，获取在某一时刻声压级强度和熔池小孔形态，并与预设正常焊接情况下的声压级强度以及熔池小孔的形态进行对比，确定激光焊接的质量。

2.根据权利要求1所述的一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述声信号采集系统包括：传声器、声信号采集卡和工控机，

所述传声器呈阵列排列，对所述激光焊接声信号进行采集，并传输至所述声信号采集卡和所述工控机，所述声信号采集卡和所述工控机对所述激光焊接声信号进行存储。

3.根据权利要求1所述的一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行分析计算，将激光焊接特征声信号从噪声源中分离出来，并获取空间辐射声场声压级强度的分布图具体为：

1）计算机对所述激光焊接声信号和噪声源信号进行零均值化处理，获取零均值化后的信号x_0i(t）；

2）对所述零均值化后的信号x_0i(t)进行主成分分析，获取前m个混合信号；

3）对所述前m个混合信号进行独立分量分析，获取独立源信号的近似源信号s(t)；

4）利用波束形成算法对所述近似源信号s(t）的辐射声压级进行计算，获取所述空间辐射声压级强度分布图。

4.根据权利要求3所述的一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述对零均值化后的信号x_0i(t）进行主成分分析，获取前m个混合信号具体为：

（1）求出零均值化后的信号x_0i(t)的协方差矩阵R_xx；

（2）计算所述协方差矩阵R_xx的全部特征值；

（3）假设n个特征信号y₁,y₂,…,y_n，满足y=[y₁,y₂,…,y_n]^T=[γ₁,γ₂,…γ_n]^Tx，x为零均值化后的任意混合信号；

（4）定义第i个特征信号y_i的方差贡献率为

则前m个特征信号y₁,y₂,…,y_m的累积方差贡献率为

（5）如果前m个特征信号的累积方差贡献率大于75%，则取前m个特征信号来分析，舍弃余下的(n-m）个特征信号。

5.根据权利要求3所述的一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述对前m个混合信号进行独立分量分析，获取独立源信号的近似源信号s(t）具体为：

（1）将前m个混合信号记为Y(t)=[y₁(t),y₂(t),…,y_m(t)]^T；

（2）根据信号Y(t）选取随机向量W的初始值，使得变换后近似源信号s(t）与信号Y(t)之间满足：s(t)=WY(t)。

6.根据权利要求3所述的一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述利用波束形成算法对近似源信号s(t)的辐射声压级进行计算，获取所述空间辐射声压级强度分布图具体为：

（1）将每个传声器接收的近似源信号s_i(t)均补偿τ_i，即s_i(t+τ_i)，将声源处的声信号对齐；

（2）将所有补偿后的混合信号s_i(t+τ_i)相加，获取空间辐射声压级强度分布图。

7.根据权利要求1所述的一种实时检测激光焊接质量的方法，其特征在于，所述熔池小孔监测系统包括：CCD相机、滤光片、视频图像采集卡和存储装置；

所述滤光片过滤光信号之后，所述CCD相机拍摄所述熔池小孔图像，所述视频图像采集卡和所述存储装置接收所述熔池小孔图像并进行存储。

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