CN103499579B - 激光焊接质量快速无损检测方法 - Google Patents

Abstract

<b>激光焊接质量快速无损检测方法。激光焊接过程中，常规检测方法很难找到有效识别焊接质量、稳定性及缺陷生成的可靠判定依据。本发明方法包括：首先依次选取各固定区间内的局部检测信号点集合并进行概率密度分析；第二，通过数学分析方法得出相应位置的概率密度分布函数，即得出描述等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布情况；第三，对所述的概率密度分布函数进行二次分析，从中提取出与焊接状态及焊接缺陷有直接关联的特征值组合；最后通过基值和躁动值的相关特征值分析实现对激光焊接稳定性、焊缝熔深变化及焊接缺陷位置的识别。本发明用于激光焊接质量检测。</b>

Description

激光焊接质量快速无损检测方法

技术领域：

本发明涉及一种激光焊接质量快速无损检测方法。

背景技术：

激光焊接作为一种先进的特种焊接工艺，凭借其能量密度大、焊接速度高、焊缝热影响区小、变形小、接头机械性能高等优势，在工业界的各个领域占据着不可替代的地位。随着现代工业对焊接需求的不断加大，“高质量、高效率、低成本、自动化”将成为未来焊接技术研究和发展的方向。因此，对于激光焊接过程实施焊接质量快速无损检测则显得尤为重要。

由于激光等离子体主要是由高密度的激光束射入工件后，小孔内的金属蒸汽及保护气体在激光作用下发生电离，导致电子密度雪崩式的增长而形成的。所以激光等离子体信号与焊接过程中小孔的内部情况，如小孔内气压、温度及稳定性变化等存在很大的关联性，而激光焊接中小孔的状态又直接决定了焊接质量。因此，对激光等离子体信号的检测和分析是对激光焊接过程熔透情况、稳定性情况及缺陷易生成区域的较为直接、有效的检测途径。但是，由于激光焊接过程是一个光、热、力等综合作用下的一个高度非线性复杂的物理化学过程，多变量耦合作用使得等离子体信号产生剧烈波动，通过高速摄像观察及图像面积线性分析发现，等离子体具有非稳态、非对称、无规则、无固定周期、无重复性、强度和体积变化剧烈、随机性高等特点。此外，等离子体面积信号极值所出现的位置，和实际焊接质量也并不存在严格的对应关系。所以等离子体信号线性分析模式下的常规检测方法很难找到有效识别焊接质量、稳定性及缺陷生成的可靠判定依据。

发明内容：

本发明的目的是提供一种激光焊接质量快速无损检测方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种激光焊接质量快速无损检测方法，根据激光焊接过程等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布规律与实际焊接条件之间的关联性，首先依次选取各固定区间内的局部检测信号点集合并进行概率密度分析；第二，通过数学分析方法得出相应位置的概率密度分布函数，即得出描述等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布情况；第三，对所述的概率密度分布函数进行二次分析，从中提取出与焊接状态及焊接缺陷有直接关联的特征值组合；最后，通过基值和躁动值的相关特征值分析实现对激光焊接稳定性、焊缝熔深变化及焊接缺陷位置的识别。

所述的激光焊接质量快速无损检测方法，进行选取各固定区间内的局部检测信号点集合时，可获得各局部区域内与焊接状态及焊接缺陷有直接关联的特征值组合，对所述的特征值组合进行计算，得出相关特征值分析实现对激光焊接全过程稳定性、焊缝熔深变化及焊接缺陷位置的有效识别。

所述的激光焊接质量快速无损检测方法，进行所述的概率密度分析时，选取合理的等离子体面积信号区间，逐一进行概率密度分析，再根据该区域内检测数据点空间概率密度分布情况，采用数学分析办法找到相应的空间概率密度分布函数。

有益效果：

1.本发明利用激光等离子体面积信号空间的点阵概率密度分析手段的激光焊接熔深变化及焊接缺陷定性识别的快速无损检测方法是一种完全不同于以往单纯的信号线性分析模式的新型检测方法，具有测试效果稳定及对焊接实际变化情况灵敏的特点。本发明的分析法采用的概率密度分析手段能够有效屏蔽掉信号波动，并获得任何时间段内稳定可靠的分布特征值，能够在实际检测时，提供可靠的比照参数。

本发明特征值提取时可以针对“有效”信号强度值区间进行数值分析，因此可去除随机干扰信号对检测结果产生的不利影响。激光焊接过程等离子体面积的概率分布规律与实际焊接条件存在关联性，通过焊接信号特征值变化，又发现实际焊接不稳定区域和焊接缺陷易生成区域。

附图说明：

附图1是本发明基值线对焊缝熔深的识别能力的测试结果图。

附图2是本发明基值线与实际焊缝熔深的具体位置对比实验的测试结果图。

附图3是本发明躁动值曲线对焊接稳定性的识别能力的测试结果图。

附图4是本发明躁动值曲线对实际焊缝气孔的识别能力的测试结果图.

附图5是本发明基值线与躁动值曲线联合使用后对焊缝成形的识别能力测试结果图。

附图6是本发明涉及等离子体面积信号点阵分布分析的等离子体面积随时间变化的空间概率分布情况示意图。

附图7是本发明涉及等离子体面积信号点阵分布分析的等离子体面积概率密度分布曲线。

附图8是本发明涉及摆动激光热导焊条件下的等离子体面积信号概率密度分布曲线。

附图9是本发明涉及无摆动激光焊接条件下的等离子体面积信号概率密度分布曲线。

附图10是本发明涉及120HZ摆动频率，摆动激光深熔焊条件下的等离子体面积信号概率密度分布曲线。

附图11是本发明涉及220HZ摆动频率，摆动激光深熔焊条件下的等离子体面积信号概率密度分布曲线。

具体实施方式：

实施例1：

一种激光焊接质量快速无损检测方法，根据激光焊接过程等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布规律与实际焊接条件之间的关联性，首先依次选取各固定区间内的局部检测信号点集合并进行概率密度分析；第二，通过数学分析方法得出相应位置的概率密度分布函数，即得出描述等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布情况；第三，对所述的概率密度分布函数进行二次分析，从中提取出与焊接状态及焊接缺陷有直接关联的特征值组合，比如，与焊缝熔深有直接联系的基值和与焊接缺陷有直接联系的躁动值；最后通过基值和躁动值的相关特征值分析实现对激光焊接稳定性、焊缝熔深变化及焊接缺陷位置的识别。

通过所述的相关特征值分析还能够实现对焊接熔透性、焊缝侧壁熔合性、焊缝表面质量等更多方面的焊接质量检测。

实施例2：

实施例1所述的激光焊接质量快速无损检测方法，进行选取各固定区间内的局部检测信号点集合时，可获得各局部区域内与焊接状态及焊接缺陷有直接关联的特征值组合，对所述的特征值组合进行计算，得出例如:基值和躁动值的相关特征值分析实现对激光焊接全过程稳定性、焊缝熔深变化及焊接缺陷位置的有效识别。

实施例3：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，此方法可以应用到激光焊接、电弧焊接及复合焊接中的其它光学、电磁及声学的检测信号对于焊接质量的检测分析上。

实施例4：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，进行所述的概率密度分析时，选取合理的等离子体面积信号区间，逐一进行概率密度分析，再根据该区域内检测数据点空间概率密度分布情况，采用数学分析办法找到相应的空间概率密度分布函数；在检测信号概率密度分布函数中，存在与激光焊接质量相关的有效信息，主要包括：

1）在等离子体面积信号空间分布的最密集区域，找到检测信号里最集中出现的信号强度数值，定义其为基值；所有局部基值逐点连接成为基值线，基值线与焊缝熔深变化存在关联性，以此作为焊缝熔深检测的依据。

）在等离子体面积信号空间分布中，除了分布的最密集区域以外，其它区域内的点也同样会对焊接效果产生作用，它们出现位置与基值距离越远，分布概率越大，对基值焊接效果下产生的波动也就越大，将其定义为躁动值；所有局部躁动值逐点连接成为躁动值曲线，躁动值曲线与工艺类气孔间也存在关联性，以此作为焊缝缺陷检测的依据。

）在等离子体面积信号空间分布中，同样能提取出表征熔透性、侧壁熔合性及表面缺陷的特征信息，用于焊接质量检测。

实施例5：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，选取所述的局部监测信号点集合时，通过高速摄像机拍摄激光焊接过程中等离子体图像，然后利用计算机对每一帧所述的等离子体图像进行图像处理；所述的图像处理步骤为将彩色离子体图像转换成灰度图像，再根据图像的面积和形状与原始图像的一致原则进行二值化处理，最后采用软件运算方法去除飞溅，此时获得等离子体面积信号数值。

实施例6：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，实验结果如附图1所示，基值线对焊缝熔深的识别能力，实验选取熔深差别较为明显的激光热导焊、较小熔深激光深熔焊和较大熔深激光深熔焊，作为研究对象，a曲线1为实测得到的激光等离子体面积原始信号，b曲线2为计算得到的与焊接熔深相关的基值线，c曲线3为计算得到的与焊接稳定性相关的躁动值曲线,通过曲线得知，在激光热导焊时基值线的值是最小的，而且几乎无波动；而在较小熔深激光深熔焊时，基值线数值有明显跃升且波动幅度明显加大；在较大熔深激光深熔焊时，基值数值再度加大；而实际焊接结果是，热导焊熔深最浅，且几乎无明显波动；较小熔深激光深熔焊和较大熔深激光深熔焊熔深依次增大，且存在较明显波动，因此，实验结果和检测结果是完全一致的。

实施例7：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，实验结果如附图2所示，基值线与实际焊缝熔深的具体位置对比实验，实验选取焊接工艺为激光功率4KW，焊接速度2m/min，离焦量-23mm，保护气流量20L/min，焊枪倾角15°,光纤尺寸200nm，a辅助线4以上是基值线数值较高的区域，b辅助线5以下是实际焊缝熔深较深的区域，通过对比可知，二者相似度极高，证明基值线对于焊缝熔深的判定提供依据。

实施例8：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，实验结果如附图3所示，验证躁动值曲线对焊接稳定性的识别能力，实验选取含有工艺类气孔较多的激光深熔焊和抑制气孔较好工艺下的激光深熔焊作为研究对象，d曲线6为计算得到的与焊接稳定性相关的躁动值曲线，从图中不难发现含有工艺类气孔较多的激光深熔焊的躁动值要明显高于抑制气孔较好工艺下的激光深熔焊，且波动非常剧烈，说明含有工艺类气孔较多的激光深熔焊的稳定性是较差的，而实际焊接结果无论从焊缝表面还是焊缝内部气孔情况都证实了检测结果的准确性。

实施例9：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，实验结果如附图4所示，e曲线7为躁动值曲线对实际焊缝气孔的识别能力，实验选取焊接工艺为激光功率为4KW，焊接速度为2m/min，离焦量为0mm，保护气流量为20L/min，焊枪倾角15°,光纤尺寸200nm，图中所述的e曲线所代表的躁动值曲线出现较高数值的位置刚好是气孔集中出现的位置，实验结果和检测结果完全相符。

实施例10：

实施例1或2所述的激光焊接质量快速无损检测方法，实验结果如附图5所示，验证基值线与躁动值曲线联合使用后对焊缝成形的识别能力，实验选取熔深及气孔缺陷差别较为明显的含有工艺类气孔较多的激光深熔焊和另外两种抑制气孔较好工艺下的激光深熔焊作为研究对象，其中第二组激光焊实验中，由于初始试板温度较低形成的是激光热导焊，而随后随着试板温度的累积升高又形成了激光深熔焊，这一过程通过基值线的变化曲线，被很好的记录下来，从图中还能够得出，含有工艺类气孔较多的激光深熔焊时基值最高，后两种工艺下的激光深熔焊基值较小，激光热导焊基值最小，此方面可以和实际熔深结果完全对应上。

另外，对躁动值曲线观察也不难发现，含有工艺类气孔较多的激光深熔焊时躁动值最高，后两种工艺下的激光深熔焊躁动值较小，说明后两种激光焊接工艺可以有效降低激光深熔焊的气孔倾向，实验结果中气孔率的数值也进一步证实了这一检测结果。

实验表明将焊接熔深特征值和焊接稳定性特征值联合使用后，可较为真实的反映出激光焊接过程焊缝成形情况，此方法是一种对焊接质量在线检测的有效识别方法。

Claims (2)

1.一种激光焊接质量快速无损检测方法，其特征是：根据激光焊接过程等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布规律与实际焊接条件之间的关联性，首先依次选取各固定区间内的局部检测信号点集合并进行概率密度分析；第二，通过数学分析方法得出相应位置的概率密度分布函数，即得出描述等离子体面积信号空间点阵的概率密度分布情况；第三，对所述的概率密度分布函数进行二次分析，从中提取出与焊接状态及焊接缺陷有直接关联的特征值组合；最后，通过基值和躁动值的相关特征值分析实现对激光焊接稳定性、焊缝熔深变化及焊接缺陷位置的识别。

2.根据权利要求1所述的激光焊接质量快速无损检测方法，其特征是：进行所述的概率密度分析时，选取合理的等离子体面积信号区间，逐一进行概率密度分析，再根据该区域内检测数据点空间概率密度分布情况，采用数学分析办法找到相应的空间概率密度分布函数。