CN104002044A

CN104002044A - 一种非熔透激光焊接设备及方法

Info

Publication number: CN104002044A
Application number: CN201410242022.9A
Authority: CN
Inventors: 陈根余; 黎长邹; 周聪; 李时春; 张焱; 夏海龙; 陈晓峰; 廖生慧; 周逸凡
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: CN104002044B

Abstract

本发明涉及一种非熔透激光焊接设备，包括：激光焊接头(1)、传输光纤(2)、激光器(3)、反馈控制系统(6)、计算机(7)、红外温度采集系统(8)，其特征在于：激光器(3)输出的激光，通过光纤(2)传导到激光焊接头(1)，经过焊接头里面的聚焦透镜聚焦后的激光束(4)作用于焊接材料(5)表面对材料进行焊接，红外温度采集系统(8)在线捕捉焊接过程中焊缝背面的温度，得出此时材料的焊接熔深情况，并将控制信息传递给反馈控制系统(6)，通过反馈控制系统(6)对激光器(3)进行控制，实时调节激光的功率。本发明可对于工业中用到的非熔透焊接进行精确控制，使焊接接头既不会出现未融合又不会出现背部烧伤，实用性强。

Description

一种非熔透激光焊接设备及方法

发明领域

本发明涉及一种激光焊接的设备及方法，尤其是涉及一种非熔透激光焊接设备及方法。

背景技术

激光焊接是将高强度的激光束辐射至材料表面，通过激光与材料的相互作用，材料吸收激光能量转化为热能使材料熔化后冷却结晶形成焊接，激光焊接有两种基本方式：热导焊(也称传导焊，Heat Conduction Welding)和深熔焊(Deep PenetrationWelding)。这两种焊接模式的能量耦合机制、焊缝成形机理及焊接效果完全不同。

(1)热传导焊接

当激光功率密度较低时(功率密度I<10⁴W/cm²)，激光照射在材料表面，除部分激光被材料反射外，剩下的激光被材料吸收，激光能量使得材料温度由表及里逐渐升高，但金属材料维持固相不变，随着激光功率密度的提高(功率密度I提高到10⁵W/cm²～10⁶W/cm²)，材料表面开始熔化，局部区域产生轻微汽化，材料对激光的吸收系数也有一定幅度提高，材料表层的热能以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。

(2)激光深熔焊

当激光功率密度I达到10⁶W/cm²～5×10⁷W/cm²，激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化甚至汽化，汽化物微弱电离形成等离子体，同时巨大的金属蒸汽膨胀压力使材料中熔化的液态表面向下凹陷，形成凹坑，激光束直接射至凹坑底部，使凹坑底部材料产生新的蒸发，从而进一步加大了凹坑深度，直至最后形成“匙孔”，又称为“小孔”，进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸发。随着激光的继续照射，小孔穿入更深，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。

在激光焊接领域，某些特殊服役情况要求实现非熔透焊接，以得到良好的密封性、一定强度和表面质量。如不锈钢铁道客车车体、电梯，表面不需要涂装，采用电阻点焊容易影响表面质量，且密闭性差，而非熔透激光焊接单面成型就能弥补点焊的这些缺点。在集装箱生产及钢制家具橱柜等领域，非熔透激光焊接同样能得到应用。对于非熔透激光焊接试件，焊缝的外观形貌是判断焊接质量的重要因素，即非熔透表面不能出现熔渣，要求严格的甚至不能出现表面变色。

激光非熔透搭接焊接具有很大难度，要获得满意的焊接接头而不损伤焊件背面，激光功率必须精确控制，焊接条件的细微变化都可能导致焊接失败。要获得强度和外观质量都符合使用要求的非熔透焊接接头，必须避免焊缝背部过热、烧穿和未融合两个极端。

对于目前的激光焊接质量控制方法，公开号为CN1012694420A的“激光焊接装置及其方法”发明专利提供了一种激光焊接装置及其焊接方法。当机器人的移动速度变更率出现变化时，通过调节扫描器头内的激光扫描用反射镜的转动速度使焊接点速度与100％的移动速度变更率时焊接点速度相同。该激光焊接装置即使在焊接机器人动作速度改变的情况下也能再现与生产现场机器人实际运行时相同程度的焊接状态。该方法通过调节焊接焦点的移动速度，使焊接状态维持稳定，但是这种方法有一定的局限性，无法实时获取焊接过程中的焊接状态和接头质量信息，在出现未融合、烧穿等缺陷的时候不能对焊接过程进行有效控制。

公开号为CN103480966A的“一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法”通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度C＞0.6B1、限制下板的熔化深度H＜0.5mm及加纯铜垫板等技术途径，改善不锈钢搭接焊接头的力学性能，避免焊缝背面氧化变色，提高激光焊接头的焊接质量。工艺步骤为：在焊件下面放置纯铜垫板→采用优化的激光焊接参数→实现不锈钢搭接焊连接。但是该方法对焊接过程中焊接参数波动引起的熔池形态变化不能进行实时监测，对焊接过程中产生的缺陷不能进行实时调节和消除。

公开号为CN101905380A的“一种确定薄板全熔透激光焊工艺参数的方法”，涉及一种针对厚度小于3mm的金属薄板进行全熔透激光焊接时工艺参数的确定方法。其特征在于，确定工艺参数的步骤如下：定义；建立薄板全熔透激光焊工艺参数窗；确定薄板全熔透激光焊工艺参数。该方法不能对焊接过程中的突发情况进行自适应控制和调节，特别是对焊接质量要求更高的非熔透焊接接头，在遇到板厚变化，机械手速度波动等突发情况时，以确定的工艺参数进行焊接会导致未融合或者背部烧穿缺陷。

公开号为CN103008884A的“激光搭接非熔透焊接方法”通过在未熔透面覆盖保护膜隔断空气进行焊接，避免、减少不锈钢轨道客车钢结构外露的未熔透面发生氧化、变色。这种方法对焊接条件的稳定性要求严格，对于焊接过程中激光参数的波动引起的背部烧伤甚至烧穿，起不了任何作用。

现有文献中，段爱琴等人在《激光深熔焊焊缝的熔透性监测研究》中发现光致等离子体光信号的变化与焊缝的熔透性密切相关，在焊缝熔透性好的情形下，光致等离子体稳定，强度较高且变化比较小，而在未熔透时，光信号变化大，不稳定，得出利用光致等离子体光信号实时监测焊缝熔透性具有可行性的结论。张旭东等人在《激光焊接的同轴检测与熔透控制》中对激光深熔焊的熔透状态进行了分类，指出了“仅熔池透”和“适度熔透”的形成条件和焊缝成形特征。建立了一套CO₂激光深熔焊熔透状态的同轴检测系统，研究了焊接工艺参数和熔透状态发生变化时等离子体同轴光信号的变化规律。发现在板厚不变的条件下，随热输入的变化，焊接过程由“仅熔池透”达到“适度熔透”时，同轴等离子体光信号强度的增量绝对值最大。秦国梁等在《激光深熔焊接中焊缝熔深的同轴视觉传感监测》中基于稳态下小孔前壁材料气化过程中满足的能量平衡和在同轴视觉传感监测中提取出的小孔的径向尺寸建立了小扎深度的提取迭代方程。并基于小孔的激实现了焊缝熔深的同轴视觉传感监测。研究结果表明工件未焊透时，焊缝熔深的监测值和实验测量值具有较好的一致性，其监测误差一般不超过12％；而工件完全焊透后，焊缝熔深的监测值大于工件厚度，并基于此实现了工件是否焊透的判断。双元卿《基于视觉传感的激光一MIG复合焊熔透闭环控制》中针对CO₂激光一MIG复合对接焊，建立了基于视觉传感和DSP的熔透状态实时检测与控制系统，获取了清晰的熔池背面图像，经过适当的处理得到了熔池背面熔宽的信息，并通过调节焊接速度或控制电弧电流，对熔透状态进行了控制。张朴等人在《激光深熔焊接过程实时监测系统设计》中基于LabWindows/CVI开发环境，采用红外光、蓝紫光和麦克风3种传感器构成了焊缝熔透状态的实时监测系统。在多传感器的数据融合中，首先对3路测量信号进行时频分析，提取能够反映焊缝状态的特征，然后利用人工神经网络对特征值进行融合计算，得到焊缝是否熔透的判断结果。

上述实验方法理论研究虽然都取得了一定的成果，但是都局限于识别焊接过程中熔池是否熔透，要在工业生产中的非熔透焊接监控中实现应用还有很大差距，都没有研制出一种高效、精密、实时控制、柔性高的非熔透焊接设备。

德国学者F.Abt采用一种基于细胞神经网络相机(CNN相机)的闭路控制系统，对Yb:YAG激光搭接焊过程中的影像特征进行分析，通过同轴实时采集焊接小孔的影像特征，与仅上板熔透和上、下板全熔透两种情况下的小孔影像进行对比分析，进而反馈调节激光功率对焊接过程进行实时控制，取得了较好的效果，可以实现搭接接头的非熔透实时监控，但是对于非熔透状态下的缺陷如背部的烧伤等不能有效预防和调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、精密、实时控制、柔性高的非熔透激光焊接设备，以解决非熔透搭接接头易出现上、下板未融合，焊缝背部烧伤、氧化等难题。

本发明的技术方案是提供一种非熔透激光焊接设备，包括：激光焊接头、传输光纤、激光器、反馈控制系统、计算机、红外温度采集系统，其特征在于：

激光器输出的激光，通过光纤传导到激光焊接头，经过焊接头里面的聚焦透镜聚焦后的激光束作用于焊接材料表面对材料进行焊接，红外温度采集系统在线捕捉焊接过程中焊缝背面的温度，并将获取的信息实时传递给计算机，计算机显示并处理红外温度采集系统采集到的焊缝背面温度信息，并与计算机数据库中焊接材料出现氧化、变色和热影响痕迹的温度值进行对比，实时得出材料的焊接熔深情况，并将控制信息传递给反馈控制系统，通过反馈控制系统对激光器进行控制，实时调节激光的功率，实现非熔透焊接的闭环控制。

进一步地，本发明还提供了一种非熔透激光焊接设备进行焊接的方法，其包括如下步骤：

步骤1：打开设备的电源，装夹待焊接试件，开启激光器引导光开关，激光器发出引导红光，调节焊接机器人姿态使引导红光照射到焊接起始位置；

步骤2：将红外温度采集系统安装到焊接平台下方位置，要求焊接过程中能实时采集到试件背面温度。

步骤3：根据被焊接材料的性质，设置背部最高温度数据以及焊接参数：参数包括激光器输出功率、焊接速度，焦点位置；

步骤4：开启吹气阀门，设置辅助吹气压力，打开空压机和保护气瓶的气阀，开始吹气，激光器出光，开始焊接；

步骤5：红外温度采集系统实时采集焊缝背面的温度信息；

该步骤中，红外温度采集系统将拍摄的焊接温度场红外热图像转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过材料氧化、烧伤的温度值时，计算机向控制系统发出降低激光功率的信号，控制系统实时降低激光功率；当焊缝背面的温度超过材料的熔点，此时计算机向控制系统发出停止信号，焊接过程中止。

步骤6：焊接过程结束，激光器停止出光，机器人回位。

进一步地，步骤5中，采集到的焊缝背面温度，通过连续激光热源作用下的温升数学模型，求出该时刻下熔点对应的等温线，从而判断出焊接件的熔深，其中温升数学模型为：

\begin{matrix} T (x, y, z, t) - T_{0} = \\ Σ_{m = - \infty}^{+ \infty} Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} {&Integral;}_{0}^{t} \frac{3 P \times η}{ρcπ {[πa (t - t_{1})]}^{1 / 2}} \times \frac{1}{R^{2} + 8 a (t - t_{1})} \times \\ \exp {- \frac{{[x - v (t - t_{1})]}^{2} + {(y - mb)}^{2}}{{2 R}^{2} + 16 a (t - t_{1})}} \times \\ \exp {- \frac{{(z - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} {dt}_{1} \end{matrix}

式中：T₀为试件初始温度，P为激光功率；η为激光功率有效系数；R为激光有效作用半径ρ为体积质量，c为比热容，a为热扩散率，δ为板厚，b为工件宽度，v是焊接速度，t₁为焊接开始后的任意时刻，m，n为整数。

本发明的有益效果是：

1)本发明中，信息的采集对象是焊缝背面的温度，相对于其他声信号、等离子体光信号等对环境的适应能力更强，从而有着很强的抗干扰能力，根据这些信号所作的分析也更贴合实际；

2)本发明可以有效防止非熔透焊接过程中由于背部温度过高而导致的背部烧伤和氧化，非常适合用在对焊缝背面的表面质量要求很高的场合；

3)本发明通过实时采集焊缝背面的温度，可以计算出对应时刻下焊缝熔池的状态，从而准确计算出焊缝的实际熔深，避免出现搭接焊过程中上、下板未融合的情况，使得搭接接头在不出现背面氧化、烧伤的情况下，能达到最大的熔深，实现最大的强度；

4)本发明操作方便，可以实现焊接过程的自动控制、实时控制。

附图说明：

图1是激光搭接焊熔深精确控制原理图；

图2是焊接过程中的熔池、小孔图；

图3是焊接过程中建立的定坐标系和移动坐标系图；

图4是机器人、焊接头、传输光纤图；

图5是激光非熔透焊接反馈控制流程图；

其中：1-激光焊接头，2-传输光纤，3-激光器，4-聚焦激光束，5-焊接材料，6-反馈控制系统，7-计算机，8-红外温度采集系统，9-焊接小孔，10-焊接熔池，11-焊接机器人。

具体实施方式

以下将结合着附图1-4对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种非熔透激光焊接设备，包括：激光焊接头1、传输光纤2、激光器3、反馈控制系统6、计算机7、红外温度采集系统8，其特征在于：激光器3输出的激光，通过光纤2传导到激光焊接头1，经过焊接头里面的聚焦透镜聚焦后的激光束4作用于焊接材料5表面对材料进行焊接，红外温度采集系统8在线捕捉焊接过程中焊缝背面的温度，并将获取的信息实时传递给计算机7，计算机7对接收到的信息进行分析处理，得出此时材料的焊接熔深情况，并将控制信息传递给反馈控制系统6，通过反馈控制系统6对激光器3进行控制，实时调节激光的功率，实现非熔透焊接的闭环控制。其中计算机7的主要功能包括：

1)通过编程软件编写程序与反馈控制系统6通信，从而通过软件对激光器3的功率进行控制；

2)计算机显示并处理红外温度采集系统8采集到的焊缝背面温度信息，并与计算机数据库中焊接材料出现氧化、变色和热影响痕迹的温度值进行对比；

3)完成比较后，发出控制信号给反馈控制系统6，通过反馈控制系统6完成对激光器功率的调节。

焊接过程中，红外传感器实时采集焊缝背面温度，将拍摄的焊接温度场红外热图像转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过材料氧化、烧伤的温度值时，计算机向控制系统发出降低激光功率的信号，控制系统实时降低激光功率。如果焊缝背面的温度超过材料的熔点，说明试件已经熔透，出现了废品，此时计算机向控制系统发出停止信号，焊接过程中止。

该发明中，未融合缺陷的控制方法：

步骤1、在t＝t1时刻，在无限厚大焊件表面(x₁',y₁',0)作用一瞬时集中点热源Q，在t(t＞t₁)时刻，工件上任意一点(x₁,y₁,z₁)的温升可以表示为：

T (x_{1}, y_{1}, z_{1}, t) - T_{0} = \frac{Q}{ρc {[4 πa (t - t_{1})]}^{3 / 2}} \times \exp {- \frac{{(x_{1} - x_{1}^{'})}^{2} + {(y_{1} - y_{1}^{'})}^{2} + z_{1}^{2}}{4 a (t - t_{1})}}

其中:T₀为试件初始温度，ρ为体积质量，c为比热容，a为热扩散率。

步骤2、用镜像法将工件考虑为有限厚度后的热源公式变为：

\begin{matrix} T (x_{1}, y_{1}, z_{1}, t) - T_{0} = \\ Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} \frac{2 Q}{ρc {[4 πa (t - t_{1})]}^{3 / 2}} \end{matrix}, \times \exp {- \frac{{(x_{1} - x_{1}^{'})}^{2} + {(y_{1} - y_{1}^{'})}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} \times \exp {- \frac{{(z_{1} - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}}

其中：T₀为试件初始温度，ρ为体积质量，c为比热容，a为热扩散率，δ为板厚，n为整数；

步骤3、激光薄板焊接时将热源看成二维的面热源，从而选取符合高斯分布的面热源模型，其函数表达式为：

Q (x, y) = \frac{3 P \times η}{{πR}^{2}} \exp (- 2 \frac{x^{2} + y^{2}}{R^{2}})

式中：P为激光功率；η为激光功率有效系数；R为激光有效作用半径。

步骤4、以t＝0时刻为坐标原点，以焊接方向为x轴正方向建立定坐标系(x₁,y₁,z₁)，激光热源中心(x_1a(t)，0，0)为坐标原点建立移动坐标系(x,y,z)，应用累积原理将激光能量分布上不同点(x,y)对所求点(x₁,y₁,z₁)温升的贡献进行叠加，即在激光热源分布范围内进行积分，这样在t＝t₁时刻，工件上任意一点(x₁,y₁,z₁)在瞬时激光热源Q(x,y)作用下t(t＞t₁)时刻的温升可以表示为：

\begin{matrix} T (x_{1}, y_{1}, z_{1}, t) - T_{0} = Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} {&Integral;}_{- \infty}^{+ \infty} dx {&Integral;}_{- \infty}^{+ \infty} dy \frac{2}{ρc {[4 πa (t - t_{1})]}^{3 / 2}} \times \frac{3 P \times η}{{πR}^{2}} \times \exp (- 2 \frac{x^{2} + y^{2}}{R^{2}}) \times \\ \exp {- \frac{{[x_{1} - x_{1 a} (t) - x]}^{2} + {[y_{1} - y]}^{2}}{4 a ({t - t}_{1})}} \times \exp {- \frac{{(z_{1} - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} \end{matrix}

其中：T₀为试件初始温度，ρ为体积质量，c为比热容，a为热扩散率，δ为板厚，n为整数，P为激光功率；η为激光功率有效系数；R为激光有效作用半径；

简化后：

\begin{matrix} T (x_{1}, y_{1}, z_{1}, t) - T_{0} = \\ Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} \frac{3 P \times η}{ρcπ {[πa (t - t_{1})]}^{1 / 2}} \end{matrix} \times \frac{1}{R^{2} + 8 a (t - t_{1})} \times \exp {- \frac{{[x_{1} - x_{1 a} (t)]}^{2} + {y_{1}}^{2}}{{2 R}^{2} + 16 a (t - t_{1})}} \times \exp {- \frac{{(z_{1} - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}}

步骤5、对于连续激光焊接，可以看成是无数激光热源在不同瞬间的共同作用，则工件上某点在t时刻的温升可以表示为：

\begin{matrix} T (x, y, z, t) - T_{0} = \\ Σ_{m = - \infty}^{+ \infty} Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} {&Integral;}_{0}^{t} \frac{3 P \times η}{ρcπ {[πa (t - t_{1})]}^{1 / 2}} \times \frac{1}{R^{2} + 8 a (t - t_{1})} \times \\ \exp {- \frac{{[x - v (t - t_{1})]}^{2} + {(y - mb)}^{2}}{{2 R}^{2} + 16 a (t - t_{1})}} \times \\ \exp {- \frac{{(z - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} {dt}_{1} \end{matrix}

步骤6、考虑到工件具有有限宽度b，再次用镜像法得到实际工件在连续激光热源作用下的温度变化表达式：

\begin{matrix} T (x_{1}, y_{1}, z_{1}, t) - T_{0} = Σ_{m = - \infty}^{+ \infty} Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} {&Integral;}_{0}^{t} \frac{3 P \times η}{ρcπ {[πa (t - t_{1})]}^{1 / 2}} \times \frac{1}{R^{2} + 8 a (t - t_{1})} \times \\ \exp {- \frac{{[x_{1} - x_{1 a} (t)]}^{2} + {(y_{1} - mb)}^{2}}{{2 R}^{2} + 16 a (t - t_{1})}} \times \\ \exp {- \frac{{(z_{1} - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} {dt}_{1} \end{matrix}

式中：T₀为试件初始温度，P为激光功率；η为激光功率有效系数；R为激光有效作用半径ρ为体积质量，c为比热容，a为热扩散率，δ为板厚，b为工件宽度，v是焊接速度，m，n为整数。由于热源移动距离x_1a(t)＝v(t-t₁)，其中v是焊接速度；

则温升公式在移动坐标系中可以表示为：

\begin{matrix} T (x, y, z, t) - T_{0} = \\ Σ_{m = - \infty}^{+ \infty} Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} {&Integral;}_{0}^{t} \frac{3 P \times η}{ρcπ {[πa (t - t_{1})]}^{1 / 2}} \times \frac{1}{R^{2} + 8 a (t - t_{1})} \times \\ \exp {- \frac{{[x - v (t - t_{1})]}^{2} + {(y - mb)}^{2}}{{2 R}^{2} + 16 a (t - t_{1})}} \times \\ \exp {- \frac{{(z - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} {dt}_{1} \end{matrix}

式中：T₀为试件初始温度，P为激光功率；η为激光功率有效系数；R为激光有效作用半径ρ为体积质量，c为比热容，a为热扩散率，δ为板厚，b为工件宽度，v是焊接速度，m，n为整数。

通过测量焊缝背面某些点的温度T(x₁,y₁,δ,kt_s)(此时z₁＝δ，t_s为采样间隔，k为正整数)，利用数值逼近的方法就可以求出此时对应的等效宽度b(kt_s)和厚度δ(kt_s)，假设b(kt_s)和δ(kt_s)同为变量，为使反求解具有唯一性，至少需要测量3个不同点的温度。将材料的熔点T_m和求解出的b(kt_s)、δ(kt_s)代入上式，可以求出该时刻下T_m对应的等温线，从而判断出焊接件的熔深，若计算出的熔深小于搭接焊的上板板厚，说明出现了未融合缺陷，此时计算机就向控制系统发出增加激光功率的信号，增加焊缝的熔深。

本发明所述非熔透激光焊接控制方法包括以下具体步骤：

步骤1：打开所有设备的电源，装夹待焊接试件，开启激光器引导光开关，激光器发出引导红光，调节焊接机器人姿态使引导红光照射到焊接起始位置；

步骤2：将红外温度采集系统安装到焊接平台下方合适位置，要求焊接过程中能实时采集到试件背面温度。

步骤5：红外温度采集系统实时采集焊缝背面的温度信息；

该步骤中，红外传感器实时采集焊缝背面温度，将拍摄的焊接温度场红外热图像转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过材料氧化、烧伤的温度值时，计算机向控制系统发出降低激光功率的信号，控制系统实时降低激光功率。如果焊缝背面的温度超过材料的熔点，说明试件已经熔透，出现了废品，此时计算机向控制系统发出停止信号，焊接过程中止。

采集到的焊缝背面温度，通过上述连续激光热源作用下的温升数学模型，可以求出该时刻下熔点对应的等温线，从而判断出焊接件的熔深，若计算出的熔深小于搭接焊的上板板厚，说明出现了未融合缺陷，此时计算机就向控制系统发出增加激光功率的信号，控制系统实时增加激光功率。

步骤6：焊接过程结束，激光器停止出光，机器人回位。

本发明中，步骤5分析计算出焊接过程中激光功率的上、下限，通过控制系统实时对激光功率进行调节，达到非熔透激光焊接在线控制的目的。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims

1.一种非熔透激光焊接设备，包括：激光焊接头(1)、传输光纤(2)、激光器(3)、反馈控制系统(6)、计算机(7)、红外温度采集系统(8)，其特征在于：

激光器(3)输出的激光，通过光纤(2)传导到激光焊接头(1)，经过焊接头里面的聚焦透镜聚焦后的激光束(4)作用于焊接材料(5)表面对材料进行焊接，红外温度采集系统(8)在线捕捉焊接过程中焊缝背面的温度，并将获取的信息实时传递给计算机(7)，计算机(7)显示并处理红外温度采集系统(8)采集到的焊缝背面温度信息，并与计算机数据库中焊接材料出现氧化、变色和热影响痕迹的温度值进行对比，实时得出材料的焊接熔深情况，并将控制信息传递给反馈控制系统(6)，通过反馈控制系统(6)对激光器(3)进行控制，实时调节激光的功率，实现非熔透焊接的闭环控制。

2.采用如权利要求1所述的非熔透激光焊接设备进行焊接的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤5：红外温度采集系统(8)实时采集焊缝背面的温度信息；

该步骤中，红外温度采集系统(8)将拍摄的焊接温度场红外热图像转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过材料氧化、烧伤的温度值时，计算机向控制系统发出降低激光功率的信号，控制系统实时降低激光功率；当焊缝背面的温度超过材料的熔点，此时计算机向控制系统发出停止信号，焊接过程中止。

步骤6：焊接过程结束，激光器停止出光，机器人回位。

3.如权利要求2所述的非熔透激光焊接设备进行焊接的方法，其特征在于：

步骤5中，采集到的焊缝背面温度，通过连续激光热源作用下的温升数学模型，求出该时刻下熔点对应的等温线，从而判断出焊接件的熔深，其中温升数学模型为：

\begin{matrix} T (x, y, z, t) - T_{0} = \\ Σ_{m = - \infty}^{+ \infty} Σ_{n = - \infty}^{+ \infty} {&Integral;}_{0}^{t} \frac{3 P \times η}{ρcπ {[πa (t - t_{1})]}^{1 / 2}} \times \frac{1}{R^{2} + 8 a (t - t_{1})} \times \\ \exp {- \frac{{[x - v (t - t_{1})]}^{2} + {(y - mb)}^{2}}{{2 R}^{2} + 16 a (t - t_{1})}} \times \\ \exp {- \frac{{(z - 2 nδ)}^{2}}{4 a (t - t_{1})}} {dt}_{1} \end{matrix}