CN104002051A

CN104002051A - 一种用于激光焊接的垂直检测装置和检测方法

Info

Publication number: CN104002051A
Application number: CN201410241869.5A
Authority: CN
Inventors: 陈根余; 廖生慧; 周聪; 王大伟; 李时春; 陈晓峰; 张焱; 夏海龙; 黎长邹; 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: CN104002051B

Abstract

本发明涉及一种激光焊接垂直检测装置，包括：气动挡板(100)、双向气缸(200)、激光位移传感器(300)、固定板(400)、连接板(500)、连接件(600)、焊接头(800)，其特征在于：气动挡板(100)、双向气缸(200)、激光位移传感器(300)、固定板(400)、连接板(500)及连接件(600)与焊接头(800)组成一个整体，当焊接头(800)不与待焊接焊缝(1100)垂直时，激光位移传感器(300)测量的距离信号通过传感器控制器转变为焊接头偏移角度信号，通过I/O单元将偏移角度信号发给机器人控制系统重新调整，使焊接头(800)与待焊接焊缝(1100)垂直；本发明装置可应用于不同焊接自动化平台上有效的解决厚板焊接由于焊接头不垂直于焊缝问题，保证厚板焊接质量。

Description

一种用于激光焊接的垂直检测装置和检测方法

发明领域

本发明涉及一种激光焊接检测装置和方法，尤其涉及一种激光焊接过程光束垂直入射超厚度板材的检测装置。

背景发明

激光焊接是一种具有焊接快速、非接触、热输入少、变形小、焊缝深宽比大、焊接质量高等特点的新加工方法，已广泛应用于常规材料和难熔金属材料的加工。对于厚度较小的板件(<10mm)，采用激光焊接效果比传统的好。而在能源、造船、航天航空、核电站、管道等大型结构厚板的焊接领域，通常采用埋弧焊、熔化极气保护焊、开坡口多层多道焊、激光复合焊等焊接方法，随着板厚的增加，焊接层数增加，在实际生产中准备工序和焊接加工的时间增加，从而造成生产效率下降和焊接成本增加；同时由于输入的线能量大，热影响区大，焊接接头组织粗大，导致焊后接头残余应力、变形大，焊接接头力学性能下降等。

近年来，随着超高功率激光器不断涌现，为能源、造船、航天航空、核电站、管道、汽车等大型结构厚板的一次成形焊接开辟了新的渠道。但对于超过一定厚度(≥10mm)板材进行激光对接焊时，聚焦光斑与板材表面位置需要精准对位。激光束与板材表面发生偏斜都有可能造成焊接失败。而在实际试验和生产应用中，由于不可避免的存在机器人调节误差，或者板材装配精度误差等情况，就会造成激光光束与工件表面在垂直方向上产生向左右、前后的偏斜，而在激光深熔焊接厚板时，激光光束聚焦到板材表面进行熔化、汽化，形成细长小孔，焊缝成形表现为深且窄。在这种情况下，一旦激光光束与工件表面在垂直方向产生向左或向右偏倾斜就可能造成焊缝成形不稳定(假设两对接端面是平整、光滑及具有高的垂直度)，即在光束倾斜位置出现上部分焊缝焊接完好而底部焊偏、底部没焊到的现象，导致焊缝倾斜和没有贯穿整条焊缝，使得熔融金属液凝固不均匀，焊完后，工件产生大的变形、曲翘和残余应力。

针对上述问题，在厚板的实际焊接中，为了将工件焊缝焊透或者焊接一定的深度，保证焊缝截面贯穿铺满整条焊缝，就必须保证激光光束与试件上表面垂直，形成良好的焊缝质量。这样不仅能降低成本、减少浪费，而且提高了焊接过程对工艺的适应性和灵活性，从而获得稳定的、高质量的焊接接头。但是，目前在激光厚板焊接中没有专门用于垂直检测的装置，从而造成厚板焊接的焊缝成形质量无法保证，随着焊接厚度的加大，这个问题越发凸显。

发明内容

本发明的目的是解决厚板激光焊接时光束难以保证垂直于焊缝的技术问题，提供了一种用于机器人激光焊接厚板的垂直检测装置，该检测装置能测量焊接过程激光位移传感器距离焦点位置的高度h，经传感器的控制器处理计算出激光光束偏离垂直方向的角度θ，根据角度偏移量，可以反馈给机器人控制系统，重新调整焊接头位置，使激光光束保持与工件表面垂直，使焊缝正好与拼合面重合，保证整条焊缝完全贯穿。利用该装置可以大大提高生产效率、有效的降低成本，减小废品率，且结构较简单，操控方便，不受外围设备的影响，特别有利于厚板激光深熔焊接试验研究和工业应用，保证了焊接接头质量。

本发明的技术方案提供了一种激光焊接垂直检测装置，包括：气动挡板、双向气缸、激光位移传感器、固定板、连接板、连接件、焊接头，其特征在于：

气动挡板、双向气缸、激光位移传感器、固定板、连接板及连接件与焊接头组成一个整体，当焊接头左右摆动时，激光位移传感器相应地左右摆动；

激光位移传感器发射线激光光束投射到工件表面，形成一可见的条状测量光斑，其反射光通过接收光镜组后，在感光片上完成成像，从而测量激光位移传感器与工件表面上条状测量光斑各位置的距离；

双向气缸安装在固定板背面，通过双向气缸控制气动挡板的前后运动；

激光位移传感器固定在固定板上，且与固定板组合成一个整体；固定板与连接板连接在一起；

连接板固定在连接件上，连接板上开有两个槽，通过松开连接板上两螺栓，能够调节气动挡板、双向气缸、激光位移传感器、固定板整体高度，保证激光位移传感器与工件表面的距离在激光位移传感器可测量高度范围内。

本发明还提供了一种激光焊接的垂直检测装置进行检测的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、确保激光光束处于关闭状态，调节焊接头，使焊接头与焊缝中心对齐且与工件表面垂直；

步骤2、调节固定板和连接板，确定激光位移传感器与焊缝中心相对位置高度和角度，然后拧紧固定板和连接板上的螺栓；

步骤3、启动双向气缸，气动挡板移开，激光位移传感器开启；

步骤4、开启引导激光，利用引导激光调节焊接头焦点位置，使得引导激光光斑处于焊缝的中心位置，引导激光束与拼合面重合；

步骤5、激光位移传感器记录激光位移传感器与待焊接焊缝中心的初始高度h₀；

步骤6、模拟调试开始，焊接头向前运动，激光位移传感器相对工件向前沿焊缝轨迹运动、扫描、测量；

步骤7、将模拟调试过程测量的激光位移传感器与待焊接焊缝间的距离信号发给传感器控制器，计算机通过USB接口与传感器控制器相连，显示数据并判断焊接头位置是否垂直于待焊接焊缝表面；如不垂直于待焊接焊缝表面，则计算机反馈给传感器控制器，经传感器控制器对距离信号进行处理，得到出焊接头的偏移角度信号，并将该偏移角度信号通过I/O单元发给机器人控制系统，焊接机器人重新摆正，使得焊接头重新垂直于待焊接焊缝表面，激光束与拼合面重合，避免焊缝下部分未焊合；

步骤8、调试结束，通过双向气缸将气动挡板进行伸出运动，将激光位移传感器关闭；

步骤9、进行焊接。

本发明的有益效果是：

1)本发明装置连接在激光焊接头上，不受外围设备的影响，可以应用于不同的焊接自动化平台上。

2)本发明可以有效的解决厚板焊接的激光光束难以保证垂直于焊缝的问题，从而保证厚板焊接的焊接质量。

3)本发明装置扩展性强，搭载多种通用接口，可以将偏移量及多种数据输出给上位机，上位机可以根据需要进行处理，可以进行自动调整偏移量等。

4)本发明还可以测量焊接头焦点位置以及焊缝位置，采用这些偏移量不仅可以有效的调整焊接头垂直方向的偏移，还可以调整焊接头焦点位置以及保持焊缝焊接位置的准确性。

5)本发明可以自动检测焊缝宽度、平整度、余高或者塌陷深度等，实现焊后焊缝质量的评定。

6)本发明可以检测对接是否平整，对接间隙大小，保证对接工件的装配精度，保证焊缝较好对中，避免焊后产生大的曲翘变形。

附图说明

图1是本发明所述详细结构示意图；

图2是本发明所述激光位移传感器原理图；

图3是本发明所述一种厚板焊接垂直检测系统原理图；

图4是本发明所述气动挡板运动原理图；

图5是本发明所述因激光光束左右偏时的焊缝形貌示意图；

图6是本发明所述因激光光束右偏时的焊缝形貌示意图；

图7是本发明所述采用垂直检测装置后的焊缝形貌示意图；

其中：100-气动挡板,200-双向气缸,201-左进气孔、202-活塞杆、203-缸筒、204-右进气孔，205-拐臂，300-激光位移传感器,400-固定板板，500-连接板，600-连接件，700-光纤，800-焊接头，900-激光束，1000-工件，1100-焊缝；1200-传感器控制器，1300-计算机，1400-I/O单元，1500-机器人控制系统，1600-焊接机器人。

具体实施方式

为了便于理解本发明，以下将参照附图1-7对本发明的具体实施方式进行更详细说明。

需要强调的是，当元件被称为“固定在”另一个元件，它可以直接与另一个元件相连或者两元件间存在居中元件。当元件与另一个元件被称为“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件，也可以是间接相连，中间存在中介元件。

如图1所示，本发明所述的激光焊接垂直检测装置包括：气动挡板100、双向气缸200、激光位移传感器300、固定板400、连接板500、连接件600、焊接头800。

气动挡板100、双向气缸200、激光位移传感器300、固定板400、连接板500及连接件600位于焊接头800的前部，气动挡板100布置于激光位移传感器300下方，气动挡板100垂直于固定板400。

气动挡板100、双向气缸200、激光位移传感器300、固定板400、连接板500及连接件600与焊接头800组成一个整体，当焊接头左右前后偏移时，激光位移传感器相应的左右前后偏移。

激光位移传感器可以发射线激光光束投射到工件表面，形成一条可见线光斑，其反射光通过精密的接收光镜组后，在感光片上成像，再利用三角反射原理，就可以测量激光位移传感器与工件表面上线光斑各位置的距离h。调试开始时，激光位移传感器可以测得初始位置的h₀(初始位置的激光位移传感器头与待焊接焊缝垂直)，在调试过程中，激光位移传感器测出的距离h存储在传感器控制器中，通过USB接口与计算机相连，并将数据传输给计算机，在计算机显示，判断h与h₀是否相等，一旦h≠h₀，表明激光位移传感器发生了偏离，即焊接头偏离了垂直焊缝位置，如图2、3所示。

双向气缸200安装在固定板400背面，如图4所示，双向气缸包括：左进气孔201、活塞杆202、缸筒203、右进气孔204组成。其中活塞杆202与拐臂205相连。

双向气缸200中的活塞杆通过拐臂与气动挡板相连，当模拟调试进行时，在双向气缸200的作用下移开气动挡板100，激光位移传感器300进行扫描测量工作；当进行焊接时，在双向气缸200的作用下将气动挡板100移回激光位移传感器下方，保护激光位移传感器不受焊接过程强烈的反射光、金属蒸汽、飞溅物的影响和损坏。

通过双向气缸200控制气动挡板100的沿前后运动。

激光位移传感器300固定在固定板400上，且与固定板组合成一个整体。

固定板400与连接板500连接在一起。

其中，固定板400开有两个孔：一个固定孔，另一个为腰形孔。当焊接铝合金等高反射率材料时，焊接头800需要向焊接头800运动方向偏转一定角度，导致气动挡板100、双向气缸200、激光位移传感器300、固定板400、连接板500及连接件600整体也偏转相应角度，这时就要通过固定板400上的腰形孔调整固定板400、激光位移传感器300、双向气缸200和气动挡板100整体位置，保证焊接头800需要偏转时仍然使激光位移传感器300垂直于工件表面1000。

连接板500固定在连接件600上，连接板500上开有两个槽，通过松开连接板500上两螺栓，可以调节气动挡板100、双向气缸200、激光位移传感器300、固定板400组成的整体高度，保证激光位移传感器300与工件表面的距离在激光位移传感器300可测量高度范围内。

连接件600与焊接头800连接在一起，保证激光位移传感器扫描轨迹与焊接头800的运动轨迹一致。

焊接头800一端与传输激光的光纤700相连，激光束通过光纤700传输到焊接头800并发射出激光束900，激光束900作用在材料表面实现焊接。

本发明还提供了一种激光焊接的垂直检测装置的检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1、确保激光处于关闭状态，调节焊接头800，使焊接头800与待焊接焊缝1100垂直且与工件表面1000垂直。

步骤2、调节固定板400和连接板500，确定激光位移传感器300与待焊接焊缝垂直，并调整好相对位置(高度、角度)，然后拧紧固定板400和连接板500上的螺栓。

步骤3、启动双向气缸200，气动挡板100移开，激光位移传感器300开启。

步骤4、模拟调试开始。开启引导激光，为可见红光，利用引导激光调节焊接头800位置，使得引导激光光斑处于焊缝的中心位置，激光束与拼合面重合。

步骤5、激光位移传感器300记录激光位移传感器300与待焊接焊缝1100中心的初始高度h₀。

在该实施例中，初始高度h₀＝80mm。

步骤6、模拟调试开始，焊接头向前运动，激光位移传感器300相对工件向前沿焊缝轨迹运动、扫描、测量。

如图2所示，在模拟调试过程，正常情况下激光位移传感器300到工件表面的光斑位置的实时高度h＝80mm保持不变(h＝h₀)。

两实线表示正常焊接时激光位移传感器300的测量范围。如果机器人调节产生误差或者板材装配精度出现误差，将导致焊接头800开始偏离垂直待焊接焊缝，使得激光位移传感器300的相对位置偏移了一个角度θ。

在该实施例中，激光位移传感器300可以测出其到工件1000表面的高度h＝80.006mm(h≠h₀)。

步骤7、将模拟调试过程所测量的激光位移传感器300与待焊接焊缝1100间的距离信号发给传感器控制器1200，计算机1300通过USB接口与传感器控制器1200相连显示数据并判断焊接头800位置不垂直于待焊接焊缝1100表面，计算机1300反馈给传感器控制器1200，经传感器控制器1200对距离信号进行处理，得到焊接头的偏移角度信号。

在该实施例中，针对模拟调试过程发生偏移的位置计算出焊接头800偏离垂直方向的角度θ＝0.7°。将处理后的角度信号通过I/O单元1400发送给机器人控制器系统1500进行处理发指令给焊接机器人1600，重新调整焊接头800位置，使得焊接头800垂直于待焊接焊缝1100表面。焊缝与拼合面重合，而不至于焊缝下部分未焊合。

步骤8、调试结束，通过双向气缸将气动挡板100移回，将激光位移传感器300关闭。

步骤9、进行焊接。

对于厚板激光穿透焊接，当焊接头与工件表面不垂直，产生一定的偏移量，最终将形成图5、6所示未贯穿整道焊缝的焊缝形貌示意图，造成焊缝截面上面部分焊缝焊接完好，而底部焊缝偏离一侧，甚至没有焊到，焊接位置没有贯穿整条焊缝，影响焊接接头质量。

在厚板激光焊接中，采用这样一种垂直检测装置，当焊接头与工件表面不垂直时，就可以通过该装置在模拟调试过程测量出相应的偏移量，根据这些偏移量利用I/O单元将这些偏移量信号发送给机器人控制系统，可以重新调整焊接头位置，使得焊接头重新垂直于待焊接焊缝表面，保证激光束与待焊接焊缝对齐，从而形成焊缝与拼合面重合。最终得到如图7所示的贯穿整道焊缝的示意图。

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

1.一种激光焊接垂直检测装置，包括：气动挡板(100)、双向气缸(200)、激光位移传感器(300)、固定板(400)、连接板(500)、连接件(600)、焊接头(800)，其特征在于：

气动挡板(100)、双向气缸(200)、激光位移传感器(300)、固定板(400)、连接板(500)及连接件(600)与焊接头(800)组成一个整体，当焊接头(800)左右前后摆动时，激光位移传感器(300)相应地左右前后摆动；

激光位移传感器(300)发射线激光光束投射到工件表面，形成一可见条状测量光斑，其反射光通过接收光镜组后，在感光片上完成成像，从而测量激光位移传感器(300)与工件表面上条状测量光斑各位置的距离；

双向气缸(200)安装在固定板(400)背面，通过双向气缸(200)控制气动挡板(100)的前后运动；

激光位移传感器(300)固定在固定板(400)上，且与固定板(400)组合成一个整体；固定板(400)与连接板(500)连接在一起；

连接板(500)固定在连接件(600)上，连接板(500)上开有两个槽，通过松开连接板(500)上两螺栓，能够调节气动挡板(100)、双向气缸(200)、激光位移传感器(300)、固定板(400)整体高度，保证激光位移传感器(300)与工件表面的距离在激光位移传感器(300)可测量高度范围内。

2.根据权利要求1所述的激光焊接垂直检测装置，其特征在于：气动挡板(100)、双向气缸(200)、激光位移传感器(300)、固定板(400)、连接板(500)及连接件(600)位于焊接头(800)的前部，气动挡板(100)布置于激光位移传感器(300)下方，气动挡板(100)垂直于固定板(400)。

3.根据权利要求1所述的激光焊接垂直检测装置，其特征在于：双向气缸(200)包括：左进气孔(201)、活塞杆(202)、缸筒(203)、右进气孔(204)；其中活塞杆(202)与拐臂(205)相连，双向气缸(200)中的活塞杆(202)通过拐臂(205)与气动挡板(100)相连，当焊接前进行模拟调试时，在双向气缸(200)的作用下移开气动挡板(100)，激光位移传感器(300)进行扫描测量工作；当进行焊接时，在双向气缸(200)的作用下将气动挡板(100)移回激光位移传感器(300)下方。

4.根据权利要求1所述的激光焊接垂直检测装置，其特征在于：其中，固定板(400)开有两个孔，其中一个为固定孔，一个为腰形孔，通过腰形孔能够调整固定板(400)、激光位移传感器(300)、双向气缸(200)和气动挡板(100)的整体位置。

5.根据权利要求1所述的激光焊接垂直检测装置，其特征在于：连接件(600)与焊接头(800)连接在一起，保证激光位移传感器扫描轨迹与焊接头(800)的运动轨迹一致。

6.根据权利要求1所述的激光焊接垂直检测装置，其特征在于：焊接头(800)一端与传输激光的光纤(700)相连，激光束通过光纤(700)传输到焊接头(800)并发射出激光束(900)，激光束(900)作用在材料表面实现焊接。

7.利用权利要求1所述的激光焊接的垂直检测装置进行检测的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、确保激光光束处于关闭状态，调节焊接头(800)，使焊接头(800)与待焊接焊缝(1100)垂直且与工件表面(1000)垂直；

步骤2、调节固定板(400)和连接板(500)，确定激光位移传感器(300)与待焊接焊缝(1100)相对位置，然后拧紧固定板(400)和连接板(500)上的螺栓；

步骤3、启动双向气缸(200)，将气动挡板(100)移开，激光位移传感器(300)开启；

步骤4、开启引导激光，利用引导激光调节焊接头(800)焦点位置，使得引导激光光斑处于焊缝的中心位置，确保激光束与拼合面重合；

步骤5、激光位移传感器(300)记录激光位移传感器(300)与待焊接焊缝(1100)中心的初始高度h₀；

步骤6、模拟调试开始，焊接头向前运动，激光位移传感器(300)相对工件向前沿焊缝轨迹运动、扫描、测量；

步骤7、将模拟调试过程测量的激光位移传感器(300)与待焊接焊缝(1100)间的距离信号发给传感器控制器(1200)，计算机通过USB接口与传感器控制器(1200)相连显示数据并判断焊接头(800)位置是否垂直于待焊接焊缝(1100)表面；如不垂直于待焊接焊缝(1100)表面，则计算机反馈给传感器控制器(1200)，经传感器控制器(1200)对距离信号进行处理，得到焊接头的偏移角度信号，并将该偏移角度信号通过I/O单元(1400)发给机器人控制系统，焊接机器人(1600)重新摆正，使得焊接头垂直于待焊接焊缝(1100)表面，激光束与拼合面重合，避免焊缝下部分未焊合；

步骤8、模拟调试结束，通过双向气缸(200)将气动挡板(100)移回，关闭激光位移传感器(300)，保护激光位移传感器(300)；

步骤9、进行焊接。

8.根据权利要求7所述的检测焊接的方法，其特征在于：步骤6中，在模拟调试过程中，当机器人调节正常或者板材装配不存在误差时，激光位移传感器(300)到工件表面的光斑位置的实时高度保持不变。

9.根据权利要求7所述的检测焊接的方法，其特征在于：步骤6或步骤7中，如果机器人发生调节误差或者存在板材装配精度误差时，激光位移传感器(300)连同焊接头(800)

相对于待焊接焊缝的垂直方向上会偏移一个角度θ。