CN105458458B - 基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法 - Google Patents

基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，属于焊接质量监测领域。通过异型红外光纤束传输被焊工件的焊缝(包括热影响区)所发出的红外信号，线阵红外相机接收这些红外信号并将其转换成相应的温度数据，再通过通讯电缆传输给电子计算机，电子计算机对这些温度数据进行拼接，进而绘制出准稳态温度场温度分布图。最终，将此准稳态温度场温度分布图与符合焊接质量标准的准稳态温度场温度分布图相比较，从而实现对焊接质量的实时监测与评估。本发明具有适应性好、实时性强、响应速度快等优点，通过更换异型红外光纤束能够对多种装配类型焊接接头的焊缝的准稳态温度场进行实时监测。

Description

基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法
技术领域
本发明涉及焊接质量监测领域，特别涉及一种基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，用于熔化焊接过程准稳态温度场的监测。
背景技术
在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波。其中就包含了波段位于760纳米（nm）至1毫米（mm）之间的红外线，红外测温仪就是利用这一原理制作而成的。温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制。对焊接工艺而言，其焊缝温度场的测量和控制，将直接影响到焊接接头的质量。目前，红外温度仪因具有使用方便、反应速度快、灵敏度高、测温范围广、可实现在线非接触连续测量等众多优点，正逐步地应用于焊接监测领域。
随着对产品生产过程优质、高效、节能、环保等先进制造理念的提出和深入，工业上对焊接生产过程质量监测的需求也日益增加，原有的方法是通过在焊接过程中对各种焊接工艺参数（如电压、电流、焊接速度等）进行采集、记录、显示、分析，并据此做出产品质量状况与一致性评估，但这种方法，并没有采集到与焊接质量密切相关的焊接温度场的温度信息，即无法直观的反映出焊接过程中各种焊接工艺参数的改变与焊缝温度分布状态变化之间的联系。为解决这一问题，目前主要是运用各种传感监测技术（如红外探测装置），在焊接过程中对焊缝的准稳态温度场进行监测，并对实时获取的温度数据进行分析，最终，通过对相应焊接参数的调整，达到提高焊接质量的目的。这种方式实时性好，所获得的焊缝质量高，是当前研究的热点。
T形接头是一种焊件端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。这是一种用途仅次于对接接头的接头形式，根据垂直板厚度的不同，T形接头的垂直板可开成I形坡口、单边V形坡口、K形坡口等多种坡口形式。对于T形接头，由于其焊缝处于不同平面，现有的测温装置无法通过单一红外测温装置，同时获得其焊缝和分布在不同平面的热影响区的温度。所以，目前缺乏一种在焊接过程中，能够对T形接头的焊缝进行监测设备和监测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，解决了现有技术存在的无法通过单一红外测温装置对非平面的焊缝进行快捷、准确监测的问题。本发明可准确、便捷的对曲面、T型接头等非平面区域的焊缝的准稳态温度场进行监测，通过监测焊缝特定区域的温度分布状态，绘制出准稳态温度场温度分布图。最终，将此准稳态温度场温度分布图与符合焊接质量标准的准稳态温度场温度分布图相比较，从而实现对焊接质量的实时监测与评估。本发明实现了在焊接过程中非破坏性的焊接质量监测与评估，具有响应速度快、测量精度高、系统结构简单稳定、抗干扰能力强等优点，通过更换异型红外光纤束可适用于多种焊接工艺和装配类型的焊接接头。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，焊接开始前，将异型红外光纤束1、焊枪通过夹具3绑定安装，同步运动，根据焊缝宽度和焊接接头的装配类型设置入端面红外光纤束的排布方式；异型红外光纤束1各入端面与被焊工件4的焊缝所在平面平行，用于传输被焊工件4焊缝表面所发出的红外信号；所述异型红外光纤束1出端面与线阵红外相机2镜头平面平行，线阵红外相机2镜头平面与异型红外光纤束1出端面之间的距离为线阵红外相机2的焦距。线阵红外相机2采集到的是一系列位于被焊工件4表面的直线段所发出的红外信号，这些直线段均垂直于焊缝且相互间距相同，通讯电缆将这些数据传输给电子计算机，电子计算机对这些直线段按时间顺序拼接成图像，进而绘制出被焊工件4焊缝及其附近区域的准稳态温度场温度分布图。最终，将此准稳态温度场温度分布图与符合焊接质量标准的准稳态温度场温度分布图相比较，从而实现对焊接质量的实时监测与评估。
所述的异型红外光纤束1各入端面距所对应的被焊工件4的焊缝的垂直距离相等。
所述的异型红外光纤束1在焊接过程中，相对于线阵红外相机2位置固定。
本发明的有益效果在于：通过更换相应的异型红外光纤束，能够获取T型接头、管材和曲面板材的搭接及对接接头的焊缝及的实时温度数据，解决了这类焊接接头的焊缝及其温度场因无法同时处于红外探测器的焦平面上，进而无法通过单一红外探测器快捷、准确的获得这类接头焊缝及的实时温度分布的问题。本发明从焊接工艺与焊缝成型的角度出发，最大程度适应于各种焊接头型式的焊缝温度场监测。实时性强、测量精度高，具有较强的适应性、良好的稳定性和抗干扰能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的监测装置的结构示意图；
图2、图3为本发明中用于测量T型接头的异型红外光纤束的三维示意图；
图4、图5为本发明中用于测量曲面焊缝的异型红外光纤束的三维示意图；
图6为本发明的监测方法的原理框图。
图中：1、异型红外光纤束；2、线阵红外相机；3、夹具；4、被焊工件；5、弧光挡板；6、焊接行走装置。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。本实施例中所使用的异型红外光纤束1的外形，异型红外光纤束1上红外光纤的直径、数量和分布不是限制性的，只是说明性质。附图中只说明了该装置以及监测方法自身的连接方式，焊接过程所必须的气路、水路和电路接法都是使用常规接法，所以不再进行说明。
参见图1至图6所示，本发明所用的基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测装置，包括异型红外光纤束1、电子计算机、线阵红外相机2、弧光挡板5、夹具3、焊接行走装置6，所述异型红外光纤束1各入端面与被焊工件4的焊缝所在平面平行，用于传输被焊工件4焊缝表面所发出的红外信号；所述异型红外光纤束1出端面与线阵红外相机2镜头平面平行，线阵红外相机2镜头平面与异型红外光纤束1出端面之间的距离为线阵红外相机2的焦距；所述入端面是红外光纤束接收光的那一面，红外线从入端面进入，从出端面射出。
所述的异型红外光纤束1各入端面距所对应的被焊工件4的焊缝的垂直距离相等。
所述的异型红外光纤束1在焊接过程中，相对于线阵红外相机2位置固定。
本发明的基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，焊接开始前，将异型红外光纤束1、焊枪通过夹具3固定在焊接行走装置6的两侧。调整弧光挡板5的位置，使其在焊接过程中能够遮挡住弧光，避免弧光对光纤束所接收的红外信号产生干扰。异型红外光纤束1各入端面与被焊工件4的焊缝及表面相互平行，出端面与线阵红外相机2镜头平面平行，二者之间的距离为线阵红外相机2的焦距。线阵红外相机2与电子计算机7通过通讯电缆相连接。
在焊接过程中，异型红外光纤束1与线阵红外相机2以相同的速度与焊接装置同步运动，异型红外光纤束1入端面接收处于其投影位置上被焊工件4相应区域所发出的红外信号，通过红外光纤束1内部红外光纤的全反射，将这些红外信号从出端面传出。线阵红外相机2接收这些红外信号并将其转换成相应的温度数据，再通过通讯电缆传输给电子计算机7。在焊接时获得被焊工件4的准稳态温度场，根据焊缝宽度和焊接接头的装配类型设置入端面红外光纤束1的排布方式；线阵红外相机2采集到的是一系列位于被焊工件4表面的直线段所发出的红外信号，这些直线段均垂直于焊缝且相互间距相同，通讯电缆将这些数据传输给电子计算机7，电子计算机对7这些直线段按时间顺序拼接成图像，进而绘制出被焊工件4焊缝及其附近区域的准稳态温度场温度分布图。最终，将此准稳态温度场温度分布图与符合焊接质量标准的准稳态温度场温度分布图相比较，从而实现对焊接质量的实时监测与评估。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，其特征在于：焊接开始前，将异型红外光纤束（1）、焊枪通过夹具（3）绑定安装，同步运动，根据焊缝宽度和焊接接头的装配类型设置入端面红外光纤束的排布方式；异型红外光纤束（1）各入端面与被焊工件（4）的焊缝所在平面平行，用于传输被焊工件（4）焊缝表面所发出的红外信号；所述异型红外光纤束（1）出端面与线阵红外相机（2）镜头平面平行，线阵红外相机（2）镜头平面与异型红外光纤束（1）出端面之间的距离为线阵红外相机（2）的焦距；线阵红外相机（2）采集到的是一系列位于被焊工件（4）表面的直线段所发出的红外信号，这些直线段均垂直于焊缝且相互间距相同，通讯电缆将这些数据传输给电子计算机，电子计算机对这些直线段按时间顺序拼接成图像，进而绘制出被焊工件（4）焊缝及其附近区域的准稳态温度场温度分布图；最终，将此准稳态温度场温度分布图与符合焊接质量标准的准稳态温度场温度分布图相比较，从而实现对焊接质量的实时监测与评估。
2.根据权利要求1所述的基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，其特征在于：所述的异型红外光纤束（1）各入端面距所对应的被焊工件（4）的焊缝的垂直距离相等。
3.根据权利要求1所述的基于异型红外光纤束的非平面焊缝温度场监测方法，其特征在于：所述的异型红外光纤束（1）在焊接过程中，相对于线阵红外相机（2）位置固定。
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