CN103878479A

CN103878479A - 基于光谱分析的激光焊t型搭接接头间隙的在线检测方法

Info

Publication number: CN103878479A
Application number: CN201410080669.6A
Authority: CN
Inventors: 孟威; 李铸国; 芦凤桂; 张轲; 黄坚; 吴毅雄
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: CN103878479B

Abstract

本发明公开了一种基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，本发明针对T型搭接接头激光焊过程中，焊接变形和试件加工精度等易造成上板和下板间的间隙，导致焊接过程的不稳定及缺陷的产生，实时检测焊接过程中500-600nm等离子体光谱谱线强度随时间的波动频率，并利用Origin软件计算不同间隙量下的等离子体信号强度的峰值频率，从而得到间隙量与等离子体峰值频率的定量关系，从而进行间隙的检测，并及时调整焊接相关参数，能够避免间隙和缺陷的产生。本发明的检测系统构成简单、检测光信号强度和精度高、抗干扰能力强、工程实用性好，可实时检测激光焊接T型搭接接头间隙，对实际生产具有重要意义。

Description

基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的在线检测方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的在线检测方法。

背景技术

激光焊接由于具有深宽比大、热影响区、热变形小以及生产效率高等优点，且随着激光器件的发展，激光束品质和功率都有很大提高，已经被越来越多地被应用于工业生产中。在激光焊接过程中伴随着多种光、声、热、电辐射现象，这些信号包含着与焊接过程和焊接质量相关的许多信息。其中，激光焊等离子的动态变化与焊接过程稳定性和缺陷的产生有相当大的关系，同时，光致等离子体与熔池和小孔又有紧密联系，彼此影响，共同决定了焊接过程的稳定性和焊接质量。实时检测等离子体在焊接过程的动态变化和物理过程特征，能够揭示焊接过程的物理机制，指导焊接生产并改善焊接质量。

激光焊T型搭接接头是一种新型的搭接接头型式，采用激光焊接优势明显，目前对其相关的研究较少。在深熔搭接焊T型接头过程中受试样加工精度、夹具和焊接变形的影响，上下板间隙很难避免。而间隙的存在必将影响焊接过程的稳定性，引起焊接缺陷的产生。等离子体的动态变化与间隙也必有一定的联系。因此，对间隙进行实时检测，就能控制激光搭接焊接过程的稳定性和焊接质量，开发适用于激光搭接焊间隙的检测和跟踪技术，已成为能否保证激光焊T型搭接接头焊接质量的关键。

光辐射是激光焊接中最明显、最基本的一种物理现象，它是等离子体在该时刻的物理状态的一种宏观表现。焊接等离子体强度与其内部温度、粒子密度和成分等参量有着紧密的联系，即光谱强度与等离子体内部热力学系统的全部状态参量有关。光谱检测的原理是：使用光谱仪将等离子体光辐射分解为光谱，根据谱图特征与等离子体内部参数间的联系反映等离子体内部的物理状态。光谱检测法有着很多优点：(1) 信息量丰富。光谱谱线是由光辐射电磁波分解中得到的，每种元素均有其特定波长的特征谱线分布。(2) 灵敏度高、选择性好。不同元素的谱线是相应原子或离子的外层电子在能级间跃迁发出的，它与元素内部电子排布相关，在光谱谱图中具有固定波长，有很高的灵敏度。光谱数据信号多，可用于分析的线谱数量多，选择性好。(3) 可进行整体频域和单一谱线时域的检测。(4) 采用非侵入式方法，不干扰等离子体。光谱法是间接测量，与被测对象无任何光电的干扰，增强了试验的客观性和准确性。(5) 时空分辨率高。借助于采集系统，可以获得较高时间、空间分辨率的光谱谱图，这为光谱信息应用创造条件。

目前，采用视觉传感技术和光谱分析技术对激光焊接过程产生等离子体的研究较多，而采用光谱分析法检测激光搭接焊间隙相关研究还没有发现。如，名为“激光搭接焊过程间隙的检测”(宫本勇等，激光工程，1996年，第24卷，第9期，67-69页)一文中，Isamu MIYAMOTO等人利用光电二极管检测了激光搭接焊汽车板过程中孔内等离子体和孔外等离子体信号强度与间隙量的关系，该研究发现等离子体光发射交流信号的频率大约达到了10kHz，而当间隙大于0.3mm，频率为4-6 kHz时交流的均方值发生突变，孔内等离子体的信号强度和峰值频率与间隙量都有很好的对应关系。此文中采用光电二极管采集的等离子体信号设备和原理较为复杂，且作者只是针对薄板和较小的间隙量进行检测，没有考虑更厚的钢板和大间隙量情况。

在名为“激光焊等离子体相关分析”（T.Sibillano等，光学交流，2005年，第251卷，第1期，139-148页）一文中，研究者采用光谱仪采集激光焊接等离子体信号，通过计算得到了等离子体发射光谱的自相关系数，并得到了焊接缺陷和光谱之间的联系性，研究同时指出等离子体的光谱强度和焊缝成形之间的相关性不大。

中国专利申请号为201210124534. 6，发明名称为“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”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，该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。

发明内容

针对激光焊接T型搭接接头技术领域，本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种基于等离子体光谱分析的激光焊接T型搭接接头间隙的在线检测方法，实现对激光搭接焊间隙的检测，保证焊接过程的稳定性和焊接质量。

本发明提出的基于等离子体光谱分析的激光焊接T型搭接接头间隙的检测方法包括如下步骤：

1) 采用包含能够采集波长为500-600nm光信号的光谱仪、光纤、探头、计算机、二维可调平台的检测系统；工件放置在焊接工作台上，随焊接工作台一起移动，用于焊接的激光头固定不动，将探头固定在二维可调平台上并放置在工作台侧面工件前方500-800mm处且与工件上表面呈0⁰的夹角，调整二维可调平台使探头处在工作台上方2-2.5mm，设定光谱仪的积分时间例如为4ms及每秒采集帧数例如为1000帧、采集频率等，采集焊接时间例如4s内等离子体信号强度，观察不同波长等离子体的波动情况；

2)等离子体信号采集过程中，进一步调整探头的位置，如无法采集等离子信号或信号太弱时需调整探头的位置、探头与激光束的距离和探头与水平面和垂直面的角度，直至能够得到理想的等离子体信号强度；依据焊接速度和焊缝长度，适当调整采集时间和帧数，保存等离子体波动随时间变化的数据；

3)将采集到的不同时间的波长为523.2nm、527.2nm和561.6nm等离子信号和时间数据导入Origin软件，利用Origin软件进行傅里叶变换，得到等离子体信号的幅频特性，找出等离子体信号强度的峰值频率及其与间隙量的对应关系；

4)根据上述等离子体信号强度的峰值频率与间隙量的对应关系，通过对焊接过程中等离子体信号的实时采集及后续处理能够实现间隙量的定量和定性检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一．本发明建立了检测激光搭接焊间隙的监控和检测方法，提出了等离子体动态变化与间隙量对应的量化性表征方法，并进行了多次试验验证，检测精度完全能够达到焊缝跟踪和检测的要求；

第二．本发明通过光谱仪实时检测激光搭接焊T型接头等离子体的动态变化，获取不同间隙量下不同波长等离子体的波动信息；采用Origin软件对等离子体信号进行后续处理，定量分析间隙与等离子体波动频率的对应关系，为实时检测间隙提供依据；经采用本发明的方法进行现场焊接和检测，间隙量跟踪效果达到了预期的目标，能够准确判别间隙的存在，并能定量分析间隙的大小，精度能达到0.1mm，提高了激光搭接焊T型接头的焊接质量和焊接效率；

第三．本发明优选采用海洋光学(ocean optical)公司的新一代高分辨率HR4000 系列光谱仪，设备简单、柔性好、体积小、功耗低、响应速度快、动态范围广，采集到的焊接区域等离子体信号精度和强度高，实时监控效果好，工程实用性强。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2的T型搭接接头激光焊接等离子体光谱检测装置示意图；

图2为本发明实施例1无间隙和存在间隙情况下的T型搭接接头形貌照片；

图3为本发明实施例1激光焊接T型搭接接头不同波长的典型等离子体信号强度；

图4为本发明实施例1激光焊接T型搭接接头不同时刻的典型等离子体信号强度分布；

图5为本发明实施例1不同间隙量下等离子体的峰值频率；

图6为本发明实施例1不同间隙量下等离子体信号强度的峰值频率；

图7为本发明实施例2两个样品的间隙量和检测结果。

具体实施方式

本发明适用于激光焊T型搭接接头间隙量的检测。在实际生产中进行间隙量检测之前，需要先测试一组或几组有确切间隙量数值的样品确定间隙与等离子体参数之间的对应关系，然后根据这些对应关系图，再对间隙量未知的样品进行焊接间隙的实时检测。下面结合附图，对本发明的实施方式和实施过程做详细说明。

实施例1 间隙量与等离子体信号峰值频率之间关系的检测

本实施例和实施例2的基于等离子体信号光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法采用如图1所示的检测系统，该系统包括：光谱仪（8）、光纤（7）、数据线（9）、计算机（10）；将工件（3）放置在工作台上，随工作台一起移动，激光头（1）固定不动，侧吹气体装置（2）的气体方向与焊接方向相同；采用波长为500-600nm的光谱仪（8）通过光纤（7）与探头（5）连接及通过数据线（9）与计算机（10）连接；探头（5）放置在一个二维可调平台（6）上进行垂直方向调节，使其距激光（1）入射位置500mm和高出试样（3）上表面2mm；焊接过程等离子体光谱信号经光谱仪（8）送入计算机（10），观察不同波长的等离子体波动情况；利用Origin软件对所采集的光谱信号进行傅里叶变换，得到等离子波动的幅频特性，找出其峰值频率，定量分析该峰值频率与间隙（4）的对应关系。在本发明的其它实施例中，探头距离激光入射位置还可以为500mm-800mm之间的任意数值，探头高出试样上表面的高度还可以为2mm-2.5mm之间的任意数值，该些数值的具体选择可根据实际检测情况确定。

图2为无间隙和存在间隙情况下的T型搭接接头形貌照片，可见间隙对焊缝成型和气孔的产生有较大影响，也必将影响焊接过程等离子体的动态变化。

采用上述检测方法进行T型搭接接头激光搭接焊等离子体信号检测，试验条件如下：

焊接方法：高功率CO₂激光焊；

试验材料：低合金高强钢；

激光焊接设备型号为德国TRUMPF公司生产的TLF15000 turbo CO₂快速轴流型激光器，最大输出功率为15 kW，焦距357 mm，光斑半径为0.43 mm，连续输出；

本实验中使用的光谱仪是海洋光学(ocean optical)公司的新一代高分辨率HR4000 系列光谱仪。它内部采用的是 Toshiba 的 3648 像元的线阵 CCD，根据所选的组件不同，光学分辨率最小可达 0.02nm(FWHM)。具体的光谱范围和分辨率取决于所配置的光栅和狭缝。实验中由于仪器使用不当或者使用时间较长后，仪器会发射偏移，精度变差；此在条件允许的情况下，在每次实验之前，用标准灯（标准卤灯或标准氢灯）对光谱仪进行标定，提高其精度（误差保证在 0.5nm 内）。光谱仪的采集频率为250Hz。

在焊接开始前首先选择工艺参数，本实施例采用4mm厚低合金高强钢进行焊接试验，选取的焊接工艺参数为: 激光功率P = 8kW，扫描速度v = 1.5m/min，离焦量 -2，焊接过程中保护气体采用纯He，流量为30L/min。

图3为基于上述等离子体光谱检测方法检测到的激光搭接焊T型接头不同波长的等离子体信号强度变化，可见其信号强度大、峰值和波段分辨率较高，易于观察等离子不同时刻的强度波动。

图4为检测到的焊接过程不同时间激光搭接焊T型接头在523.2nm、527.2nm和561.6nm波长的等离子体信号强度变化。可见其信号波动呈现一定的规律性，易于得到信号强度的峰值频率。

图5为不同间隙量下等离子体信号强度随其波动频率的变化，其中不同图中间隙量分别为0mm，0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm。从图5各图中可见，不同间隙量情况下的峰值频率特征明显（箭头所指），易于获取。

图6为根据图5中数据作出的等离子体信号强度的峰值频率随间隙量的变化，可见，随间隙量的增加，峰值频率逐渐下降，而当间隙大于0.3mm峰值频率下降明显，在小于0.3mm峰值频率变化不大，因此，当间隙大于0.3mm，从峰值频率的变化很容易定性判断间隙的存在，而依据峰值频率值也能够进行间隙量的定量判断。当间隙为0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm时，对应的峰值频率分别为25.6HZ、25.2HZ、24HZ、22.5 HZ、17.6 HZ、17.7 HZ、12.6 HZ、11.5 HZ、15 HZ。

实施例2 间隙量的实际检测

采用实施例1的检测系统和方法，并利用其得到的激光焊T型搭接接头间隙与等离子体信号强度峰值频率之间的关系，对以下两组激光焊T型搭接接头间隙量进行间隙检测，通过对焊接过程中等离子体信号强度的检测及等离子体信号强度的峰值频率的计算，从而判断出焊接过程上下两块板之间存在多大的间隙量；检测结果如图7所示。

第一组a的检测结果如下：采取与实施例1同样的焊接工艺参数和板厚进行T型搭接接头激光焊接，焊接过程进行等离子体信号光谱检测，得到的结果如图7（a），可知其峰值频率为16.8HZ，与实施例1图6中所得曲线和数据对比估算间隙值大约0.4mm。从图7（a）所对应的焊接接头的横截面可知，实际间隙量为0.34mm，与所测的间隙量相差0.06mm。

第二组b的检测结果如下：采取与实施例1同样的焊接工艺参数和板厚进行T型搭接接头激光焊接，焊接过程进行等离子体信号光谱检测，得到的结果如图7（b），可知其峰值频率为19.2HZ，与实例1图6中所得曲线和数据对比估算间隙值大约0.3mm。从图7（b）所对应的焊接接头的横截面可知，实际间隙量为0.28mm，与所测的间隙量相差0.02mm。

通过以上试验和实施例可见，采用本发明的在线监测方法及设备，可以获得分辨率和强度高的等离子体信号，通过观察和计算等离子体信号波动情况及等离子体信号强度的峰值频率，可以快速准确的判断焊接过程间隙的产生及大小，为后续焊接质量的分析和检测提供依据。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用包含能够采集波长为500-600nm光信号的光谱仪（8）、光纤（7）、探头（5）、计算机（10）、二维可调平台（6）的检测系统；将工件（3）放置在焊接工作台上，随焊接工作台一起移动，激光头（1）固定不动，侧吹气体装置（2）的气体方向与焊接方向相同；光谱仪（8）通过光纤（7）与探头（5）连接并通过数据线（9）与计算机（10）连接；探头（5）放置在二维可调平台（6）上进行垂直方向调节，使探头（5）距激光（1）入射位置500-800mm并高出试样（3）上表面2-2.5mm；焊接过程等离子体光谱信号经光谱仪（8）送入计算机（10），并实时观察不同波长的等离子体波动情况；利用计算机（10）中的Origin软件对所采集的等离子体光谱信号进行傅里叶变换，计算得到等离子波动的幅频特性，找出其峰值频率，并定量分析该峰值频率与焊接间隙（4）之间的对应关系；

（2）根据上述等离子体信号强度的峰值频率与间隙量的对应关系，通过对焊接过程中等离子体信号的实时采集及后续处理能够实现间隙量的定量和定性检测。

2.根据权利要求1所述的基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，其特征在于，还包括在焊接开始前选取工艺参数，所述工艺参数为激光功率、焊接速度、离焦量及间隙量和钢板厚度。

3.根据权利要求1所述的基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，其特征在于，所述光谱仪（8）的采集频率不小于100HZ。

4.根据权利要求1或3所述的基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，其特征在于，光谱仪（8）的波段分辨率为0.05nm，积分时间为4ms。

5.根据权利要求1所述的基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，其特征在于，采用波长为523.2nm、527.2nm和561.6nm的等离子信号计算峰值频率，将采集到的不同时间的波长为523.2nm、527.2nm和561.6nm等离子信号和时间数据导入Origin软件，利用Origin软件进行傅里叶变换，得到等离子体信号的幅频特性，找出等离子体信号强度的峰值频率及其与间隙量的对应关系。

6.根据权利要求1所述的基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（2）的等离子体信号采集过程还包括，进一步调整探头的位置，如无法采集等离子信号或信号太弱时需调整探头的位置、探头与激光束的距离和探头与水平面和垂直面的角度，直至能够得到理想的等离子体信号强度；依据焊接速度和焊缝长度，适当调整采集时间和帧数，保存等离子体波动随时间变化的数据。

7.根据权利要求1所述的基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的检测方法，其特征在于，所述步骤（2）的后续处理包括：将采集不同时间的等离子体光谱信号强度导入一台装有Origin软件的计算机，对等离子体光谱信号进行傅里叶变换，得到其幅频特性，依据峰值频率的大小判断间隙量的存在及其间隙量大小。