CN104070292A - 激光点焊监测方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光点焊监测方法及监测装置，其中激光点焊监测方法包括以下步骤：在激光点焊的过程中，收集熔池的辐射信号；对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；以去除辐射信号中的低频直流成分和高频噪声成分；对带通信号进行快速傅立叶转换和归一化功率谱转换，获得熔池特征信号；若熔池特征信号中包括点焊特征频率峰，则输出点焊成功信号；否则输出点焊失败信号。实施本发明的激光点焊监测方法及监测装置，能够分析出点焊的质量和点焊过程中激光的功率是否合适，分析的速度快，成本低，且能够很好的与现有的激光点焊技术相兼容。

Description

激光点焊监测方法及监测装置

技术领域

本发明涉及激光点焊技术，更具体地说，涉及一种激光点焊监测方法及监测装置。

背景技术

激光点焊是一种新型的焊接技术，通过连续或者脉冲激光束加热待焊接物件的表面，表面热量通过热传导扩散到内部，进而熔化待焊接物件，形成熔池（weld pool），并利用熔池将待焊接的物件与其他物件焊接在一起。（请确认对不对）在点焊的过程中需要对形成的熔池的质量进行监控，现有的监控方法是通过高速摄像机（拍摄速度在每秒200000帧以上）对熔池进行拍摄，然后通过图像处理来确定熔池的形成质量。然而这种方法需要使用成本高昂的高速摄像机；此外使用这种方法仅仅从熔池的图像分析熔池的相关信息，往往不能全面反映出激光点焊的质量，很难令激光点焊的质量最佳化。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有激光点焊监测技术的成本高和不能全面反映出激光点焊质量的缺陷，提供一种激光点焊监测方法和监测系统以克服上述缺陷。

本发明提供的激光点焊监测方法，包括以下步骤：

在激光点焊的过程中，收集熔池的辐射信号；

对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；以去除辐射信号中的低频直流成分和高频噪声成分；

对带通信号进行快速傅立叶转换，获得熔池特征信号；

若熔池特征信号中包括点焊特征频率峰，则输出点焊成功信号；否则输出点焊失败信号。

本发明的激光点焊监测方法，在对带通信号进行快速傅立叶转换后进行归一化功率谱转换。

本发明的激光点焊监测方法还包括：

在激光点焊完成后，收集熔池的冷却信号；

截取冷却信号中熔池开始冷却至冷却结束的信号区间，获得熔池冷却时间；

当熔池冷却时间处于点焊特征冷却区间时，输出点焊功率匹配信号；否则输出点焊功率异常信号。

本发明的激光点焊监测方法，其中收集熔池的辐射信号的步骤包括：

使用光纤将熔池在点焊过程中辐射出来的信号耦合至信号检测器，以获得熔池的辐射信号。

本发明的激光点焊监测方法，其中收集熔池的冷却信号包括：

使用光纤将熔池在点焊结束后辐射出来的信号耦合至信号检测器，以获得熔池的冷却信号。

本发明的激光点焊监测方法，点焊特征冷却区间为6毫秒至10毫秒。

本发明的激光点焊监测方法，点焊特征冷却区间为7毫秒至9毫秒。

本发明还提供一种激光点焊监测系统，包括：

第一信号收集器，用于在激光点焊的过程中，收集熔池的辐射信号；

带通滤波器，用于对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；以去除辐射信号中的低频直流成分和高频噪声成分；

快速傅立叶转换器，用于对带通信号进行快速傅立叶转换，获得熔池特征信号；

第一信号输出器，用于在熔池特征信号中包括点焊特征频率峰时，输出点焊成功信号；否则输出点焊失败信号；

第一信号收集器，带通滤波器，快速傅立叶转换器，第一信号输出器依次连接。

本发明的激光点焊监测系统，还包括归一化功率谱转换器，用于在带通信号进行快速傅立叶转换后，将信号进行归一化功率谱转换；归一化功率谱转换器连接在快速傅立叶转换器，第一信号输出器之间的。

本发明的激光点焊监测系统，还包括：

第二信号收集器，用于在激光点焊完成后，收集熔池的冷却信号；

冷却信号分析器，用于截取冷却信号中熔池开始冷却至冷却结束的信号区间，获得熔池冷却时间；

第二信号输出器，用于当熔池冷却时间处于点焊特征冷却区间时，输出点焊功率匹配信号；否则输出点焊功率异常信号；

第二信号收集器、冷却信号分析器、第二信号输出器依次连接。

本发明的激光点焊监测系统，其中第一信号收集器包括用于采集熔池在点焊过程中辐射出来的信号的光纤，以及与光纤耦合，用于获得熔池的辐射信号的第一信号检测器。

本发明的激光点焊监测系统，其中第二信号收集器包括用于采集熔池在点焊结束后辐射出来的信号的光纤，以及与光纤耦合，用于获得熔池的冷却信号的第二信号检测器。

本发明的激光点焊监测系统，点焊特征冷却区间为6毫秒至10毫秒。

本发明的激光点焊监测系统，点焊特征冷却区间为7毫秒至9毫秒。

实施本发明的激光点焊监测方法及激光点焊监测系统，通过实时分析熔池辐射出来的信号，能够得出点焊的质量；另外还可以用来检测熔池的温度变化情况，分析出点焊过程中激光的功率是否合适，整个监测分析的速度快，无需使用价格昂贵的高速摄像机，能够降低激光点焊的成本，并且能够很好的与现有的激光点焊技术相兼容，在现有的激光点焊设备上进行扩展。

附图说明

以下结合附图对本发明进行说明，其中：

图1为本发明激光点焊监测方法在点焊过程中的流程示意图；

图2.a为成功点焊后获得的熔池特征信号；

图2.b为失败点焊后获得的熔池特征信号；

图3为本发明激光点焊监测方法在点焊结束后的流程示意图；

图4.a为点焊的激光功率不足的冷却特性曲线；

图4.b为点焊的激光功率足够的冷却特性曲线；

图4.c为点焊的激光功率过大的冷却特性曲线；

图4.d为不同间隙的点焊冷却特性曲线；

图4.e为表面存在杂质的点焊冷却特性曲线；

图4.f为表面整洁的点焊冷却特性曲线；

图5为本发明激光点焊监测系统的工作示意图；

图6.1为使用LabVIEW进行数据采集的程序图；

图6.2为使用LabVIEW进行信号分析的程序图；

图6.3为使用LabVIEW进行数据保存的程序图；

图6.4为用于对熔池的冷却信号进行分析的LabVIEW程序图；

图6.5为本发明的LabVIEW程序交互界面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1、图2为本发明激光点焊监测方法的工作流程图，分别对应点焊过程中的监测和点焊结束后的监测。需要说明的是点焊过程中的监测和点焊结束后的监测只是代表两种监测信号产生的时间，在实际工作中，两种监测方法是与整个点焊同步进行的。

图1为点焊过程中的监测流程图。当激光点焊工作的时候，强激光照射在焊接样品上，产生熔池，同时从熔池中会辐射出信号。本发明首先对这些辐射出来的信号进行收集，对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；以去除辐射信号中的低频直流成分和高频噪声成分，在一个优选的实施例中，对频率低于800Hz和高于5KHz的信号进行去除。然后对于经过带通过滤后的信号进行快速傅立叶变换（FFT）和归一化功率谱转换，经过转换后，得到熔池特征信号。对于获得的熔池特征信号，检测其是否包含于加工样品相匹配的点焊特征频率峰：当点焊成功的时候，在熔池特征信号中会包含一个明显较强的频率峰值，而当点焊不成功或者说点焊质量不好的时候，将不会出现这个点焊特征频率峰。

点焊特征频率峰的具体位置是与点焊的材料、厚度有关系的。例如在图2.a为一个成功点焊后获得的熔池特征信号，该图为对于一块0.20mm厚的钢板进行点焊，点焊所用的激光为2.3KW、脉宽18毫秒。在此参数下，点焊特征频率峰为2.8KHz。从图2.a中我们可以检测出在接近2.8KHz附近出现了点焊特征频率峰，因此该点焊成功。在另外的一个点焊监测结果（图2.b）中，同样是对于一块0.20mm厚的钢板进行点焊，点焊所用的激光为2.3KW、脉宽18毫秒，而在该图中，并不存在2.8KHz的点焊特征频率峰。表明图2.b所对应的点焊不成功或者点焊的质量较差，需要调整。

本发明还提供专门用于检测点焊功率是否合适的监测方法。如图3所示，对于激光点焊完成后，由于熔池的高温残留，会继续向外辐射一段时间的信号。首先收集这些信号，为了能够避免焊接所使用的激光的影响，需要在收集这些信号的时候将于点焊使用激光相等的频段去除，通常是使用一个陷波滤波器（notch filter）来完成，在收集完信号之后，截取冷却信号中熔池开始冷却至冷却结束的信号区间，获得熔池冷却时间；比较熔池冷却时间与点焊特征冷却区间，若熔池冷却时间处于点焊特征冷却区间时，输出点焊功率匹配信号，表示点焊的激光功率适中。当熔池冷却时间小于点焊特征冷却区间的区间最小值时，表示点焊的激光功率过低；当熔池冷却时间大于点焊特征冷却区间的区间最大值时，表示点焊的激光功率过高。在一个优选的实施例中，8毫秒为最佳的冷却时间，而6～10毫秒为对应的点焊特征冷却区间，或者较佳的选择为7～9毫秒。

如图4.a～图4.c为0.15mm厚的钢板在持续18毫秒的激光点焊后的冷却特性曲线。不同的是：图4.a～图4.c分别为1.6J、4.6J、13J的激光功率点焊后的冷却特性。图4.b中，冷却时间为8毫秒，表明点焊的激光功率足够，而4.a中仅有约5毫秒的冷却时间，点焊的激光功率不足；而在图4.c中，冷却时间将近30毫秒，点焊的激光功率过大。

此外，通过测量冷却时间的特性，还可以检测出焊接物体是否放置平稳。如图4.d所示。从A～I的9条曲线分别为焊接物体与衬底之间的间隙为0.1毫米、0.07毫米、0.06毫米、0.05毫米、0.04毫米、0.03毫米、0.02毫米、0.01毫米和无间隙的情况下获得的。由于焊接物体与衬底之间的间隙会影响熔池的散热，导致散热的时间延长，通过冷却特性曲线，可以反映出焊接物体与衬底之间的间隙状况。例如我们可以将0.03毫米间隙的C曲线选定为成功点焊的分界线，A、B的冷却特性均为不成功的焊接。

通过冷却特性还可以检测出点焊物体的表面是否存在杂质：如图4.e和图4.f所示。图4.e中圆圈所圈部分，表示熔池在冷却的过程中，冷却得较慢，冷却曲线的陡度较低，表明点焊物体的表面存在杂质；而在图4.f中，圆圈所圈部分的冷却较快，熔池迅速冷却，冷却曲线陡峭，表明点焊物体的表面较为整洁。

图5为本发明的点焊监测系统的结构示意图。一台钕-钇铝石榴石激光器101、反射镜102、聚焦透镜组103组成点焊做需要的光源部件；从钕-钇铝石榴石激光器101出射的波长为1064纳米的激光通过反射镜102的反射后，进入聚焦透镜组103进行聚焦，出射的激光落在点焊物体200上，通过高能量的聚焦激光在点焊物体200上产生熔池。

在点焊物体200的斜上方设置第一信号收集器401，用来收集点焊过程中的熔池辐射信号，再由光纤402将采集到的信号传送至信号处理系统500进行信号的处理。在信号处理系统500中整合有带通滤波器，用于对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；以去除辐射信号中的低频直流成分和高频噪声成分；快速傅立叶转换器，用于对带通信号进行快速傅立叶转换，获得熔池特征信号；归一化功率谱转换器，用于在带通信号进行快速傅立叶转换后，将信号进行归一化功率谱转换；第一信号输出器，用于在熔池特征信号中包括点焊特征频率峰时，输出点焊成功信号；否则输出点焊失败信号。

在点焊物体200的斜上方的另一侧设置第二信号收集器301，在第二信号收集器301内设有一个1064纳米的陷波滤波器，将钕-钇铝石榴石激光器101出射的激光屏蔽掉，在通过光纤302将采集的信号传送到信号处理系统500中进行处理。信号处理系统500中整合有第二信号收集器，用于在激光点焊完成后，收集熔池的冷却信号；冷却信号分析器，用于截取冷却信号中熔池开始冷却至冷却结束的信号区间，获得熔池冷却时间；第二信号输出器，用于当熔池冷却时间处于点焊特征冷却区间时，输出点焊功率匹配信号；否则输出点焊功率异常信号。

通过两套信号的监测能够对点焊进行实时的监测，由于整套的监测系统可以在原有的点焊系统上进行扩展整合，由于整套的检测成本较低，能够将其推广至商业使用。

本发明的一个较佳实现方式是通过数据采集卡将两个信号采集器采集到的信号发送到计算机中进行处理，通过图形化编程工具LabVIEW，将采集到的信号转化为可以反映出点焊质量的结果。

整个LabVIEW程序可以分为数据采集、数据分析、数据记录、数据输出等部分。如图6.1为用于实现数据采集卡采集两路信号的程序图。虚线框601所框选的部分为用于设置采集参数的程序部分，在该部分能够设置数据采集的频率、采集数据的数据长度与精度等参数；此后采集程序602依据设定的参数对采集卡进行控制，接收第一信号采集器和第二信号采集器的数据，实现从多个模拟输入虚拟通道中。

对采集后的数据进行处理，包括带通过滤、快速傅里叶变换、归一化功率谱等。这些信号的处理可以在一个LabVIEW的子程序（student）中集中完成，如图6.2所示。该数据的处理还包括对于转换后的数据进行波形捡峰，以确定是否存在点焊特征频率峰，以判断点焊的质量。

在确定完点焊质量后，LabVIEW程序还能对相关的数据予以保存，其对应实现的程序如图6.3所示。对于原采集数据得到的波形、经过信号处理后的波形、波形捡峰结果予以保存。

而对于冷却信号的处理，其核心是通过波形的比较将冷却过程的特性，依据得到的冷却特性来判断该点焊的质量，如图6.4为对应的判断程序。

最后将所有的相关实现功能整合在单个交互界面上，如图6.5所示。通过该交互界面，实现对数据采集的控制、采集到的信号的处理、直观得到点焊质量的结果以及对这些相关的信息进行保存。

以上仅为本发明具体实施方式，不能以此来限定本发明的范围，本技术领域内的一般技术人员根据本创作所作的均等变化，以及本领域内技术人员熟知的改变，都应仍属本发明涵盖的范围。

Claims (14)

1.一种激光点焊监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在激光点焊的过程中，收集熔池产生的辐射信号；

对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；

对带通信号进行快速傅立叶转换，获得熔池特征信号；

若熔池特征信号中包括点焊特征频率峰，则输出点焊成功信号；否则输出点焊失败信号。

2.根据权利要求1所述的激光点焊监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在对带通信号进行快速傅立叶转换后进行归一化功率谱转换。

3.根据权利要求1或2所述的激光点焊监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在激光点焊完成后，继续收集熔池的产生的辐射信号，并根据该等辐射信号确定熔池的温度随时间的变化，形成与时间对应的熔池温度变化曲线；

截取熔池温度变化曲线中熔池开始冷却至冷却结束的信号区间，获得熔池冷却时间；

当熔池冷却时间处于点焊特征冷却区间时，输出点焊功率匹配信号；否则输出点焊功率异常信号。

4.根据权利要求1所述的激光点焊监测方法，其特征在于，收集熔池的辐射信号的步骤包括：

使用光纤将熔池在点焊过程中辐射出来的信号耦合至信号检测器，以获得熔池的辐射信号。

5.根据权利要求3所述的激光点焊监测方法，其特征在于，收集熔池的产生的辐射信号的步骤包括：

使用光纤将熔池在点焊结束后辐射出来的信号耦合至信号检测器，以获得熔池的冷却信号。

6.根据权利要求5所述的激光点焊监测方法，其特征在于，所述点焊特征冷却区间为6毫秒至10毫秒。

7.根据权利要求6所述的激光点焊监测方法，其特征在于，所述点焊特征冷却区间为7毫秒至9毫秒。

8.一种激光点焊监测系统，其特征在于，包括：

第一信号收集器，用于在激光点焊的过程中，收集熔池产生的辐射信号；

带通滤波器，用于对收集的辐射信号进行带通过滤，获得带通信号；

快速傅立叶转换器，用于对带通信号进行快速傅立叶转换，获得熔池特征信号；

第一信号输出器，用于在熔池特征信号中包括点焊特征频率峰时，输出点焊成功信号；否则输出点焊失败信号；

第一信号收集器，带通滤波器，快速傅立叶转换器，第一信号输出器依次连接。

9.根据权利要求8所述的激光点焊监测系统，其特征在于，还包括归一化功率谱转换器，用于在带通信号进行快速傅立叶转换后，将信号进行归一化功率谱转换；归一化功率谱转换器连接在快速傅立叶转换器，第一信号输出器之间的。

10.根据权利要求8或9所述的激光点焊监测系统，其特征在于，还包括：

第二信号收集器，在激光点焊完成后，继续收集熔池的产生的辐射信号，并根据该等辐射信号确定熔池的温度随时间的变化，形成与时间对应的熔池温度变化曲线；

冷却信号分析器，用于截取熔池温度变化曲线中熔池开始冷却至冷却结束的信号区间，获得熔池冷却时间；

第二信号输出器，用于当熔池冷却时间处于点焊特征冷却区间时，输出点焊功率匹配信号；否则输出点焊功率异常信号；

第二信号收集器、冷却信号分析器、第二信号输出器依次连接。

11.根据权利要求8所述的激光点焊监测系统，其特征在于，第一信号收集器包括用于采集熔池在点焊过程中辐射出来的信号的光纤，以及与光纤耦合，用于获得熔池的辐射信号的第一信号检测器。

12.根据权利要求10所述的激光点焊监测系统，其特征在于，第二信号收集器包括用于采集熔池在点焊结束后辐射出来的信号的光纤，以及与光纤耦合，用于获得熔池的冷却信号的第二信号检测器。

13.根据权利要求12所述的激光点焊监测系统，其特征在于，点焊特征冷却区间为6毫秒至10毫秒。

14.根据权利要求13所述的激光点焊监测系统，其特征在于，点焊特征冷却区间为7毫秒至9毫秒。