CN105458459A - 一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化焊接的技术领域。为了解决目前检测熔池振荡频率的方法准确率较低且不能应用于连续焊接的问题，本发明提出一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，包括激光器、滤光片、硅光电池阵列、数据采集卡和数据处理模块，所述数据采集卡分别与所述数据处理模块和所述硅光电池阵列连接；所述滤光片贴于所述硅光电池阵列表面；所述激光器与所述硅光电池阵列分居焊枪两侧，数据采集卡用于采集硅光电池阵列输出的矩阵电压信号并发送给数据处理模块，该数据处理模块用于将矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，再进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。本发明的装置提高了检测熔池振荡频率的准确度，且能够适用于连续焊接。

Description

一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法及装置

技术领域

本发明属于自动化焊接的技术领域，具体涉及一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法及装置。

背景技术

脉冲钨极氩弧焊是一种利用脉冲电流进行焊接的方法，已广泛应用于许多重要的结构件的焊接。焊接过程中会在焊件上形成具有一定几何形状的液态金属部分，即熔池。在焊接过程中的脉冲峰值阶段，熔池表面受到电弧力作用发生压缩变形，脉冲峰值阶段结束后进入脉冲基值阶段，由于脉冲基值阶段的焊接电流变小，脉冲电弧力突然减小，熔池表面在由表面张力、熔池液态金属重力及熔池内部液态金属对流力的合力提供的弹性恢复力作用下发生表面振荡。

焊缝熔透状态是指焊缝的背面熔宽量，即焊缝背面的宽度，焊缝的熔透状态对焊缝的力学性能具有决定性影响，所以实现焊缝熔透状态的实时控制对提高生产效率和保证焊接质量具有重要意义。对焊缝熔透状态进行控制时，首先要检测熔池振荡频率。

现有检测熔池振荡频率的方法的原理为：熔池振荡时会引起电弧电压或电弧弧光信号的变化，所以先检测电弧电压或电弧弧光信号，然后将检测到的电弧电压或电弧弧光信号作为熔池振荡的时域信号，再对电弧电压或电弧弧光信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。现有检测熔池振荡频率的方法的缺点有：1，由于电弧电压或电弧弧光信号本身的精度较低，导致根据电弧电压或电弧弧光信号得到的熔池振荡频率准确度较低；2.由于熔池表面受激产生振荡时在垂直方向上振荡幅度很小，特别是在连续焊接(工件与焊枪之间有相对位置变化的焊接方式)时，由于工件与焊枪之间有相对位置变化，导致电弧中心点发生偏移，电弧力产生其他方向的分力，使垂直方向的电弧力变小，导致熔池振荡时在垂直方向上的振幅更小，由熔池振荡引起的电弧电压或电弧弧光信号也更小，且信噪比低，因此目前检测熔池振荡频率的方法不能应用于连续焊接，只能适用于定点(工件与焊枪没有相对位置变化的焊接方式)焊接。

发明内容

为了解决目前检测熔池振荡频率的方法准确率较低且不能应用于连续焊接的问题，本发明提出一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法及装置，以提高检测熔池振荡频率的准确度，且能够适用于连续焊接。

本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置包括激光器、激光器固定架、滤光片、硅光电池阵列、硅光电池阵列固定架、数据采集卡和数据处理模块，所述数据采集卡分别与所述数据处理模块和所述硅光电池阵列连接；所述滤光片贴于所述硅光电池阵列表面；使用所述检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置时，所述激光器固定于所述激光器固定架上，所述硅光电池阵列固定于所述硅光电池阵列固定架上，且所述激光器与所述硅光电池阵列分居焊枪两侧，以使所述激光器发射的激光束照射于熔池表面，并经该熔池表面反射到所述硅光电池阵列上，所述数据采集卡用于采集所述硅光电池阵列输出的矩阵电压信号并发送给所述数据处理模块，该数据处理模块用于将所述矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，并对该时域信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。

其中，还包括衍射光栅，该衍射光栅位于所述激光器前侧，所述激光器发射的激光束经过所述衍射光栅照射于熔池表面。

其中，所述硅光电池阵列垂直于焊接工件，所述激光器与所述焊枪的轴线位于同一平面，且该平面与所述硅光电池阵列垂直。

其中，所述硅光电池阵列响应波长的中心波长与所述激光器发射的激光束的中心波长的偏差小于10nm。

其中，所述滤光片的中心波长与所述激光器发射的激光束的中心波长及半带宽的偏差小于10nm。

其中，所述数据处理模块包括阀值单元、二值化单元和求和单元，所述二值化单元分别与所述阀值单元和所述求和单元连接，所述阀值单元用于设定阀值i为45mv，所述二值化单元用于将所述数据采集卡采集到的所述硅光电池阵列输出的矩阵电压信号进行二值化，所述求和单元用于将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，该求得的和即为熔池振荡时域信号。

本发明还提出一种焊接系统，包括上述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，还包括变频器控制柜、工作平台、脉冲钨极氩弧焊焊接电源和焊枪，该变频器控制柜分别与所述数据采集卡和所述工作平台连接，所述数据处理模块用于将移动速度信号发送给所述数据采集卡，该数据采集卡用于接收该移动速度信号并发送给所述变频器控制柜，该变频器控制柜根据接收到的所述移动速度信号控制所述工作平台的移动速度；焊接工件放置在所述工作平台上，所述脉冲钨极氩弧焊焊接电源将所述焊接工件与所述焊枪相连形成回路。

本发明还提出一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法，包括以下步骤：第一步：将所述激光器固定于所述激光器固定架上，将所述硅光电池阵列固定于所述硅光电池阵列固定架上，使用所述激光器发射激光束，该激光束照射于熔池表面并反射到所述硅光电池阵列上；第二步：在脉冲峰值阶段结束时，所述数据处理模块向所述数据采集卡发送开始信号，该数据采集卡开始采集所述硅光电池阵列输出的矩阵电压信号；第三步：所述数据采集卡将采集的矩阵电压信号发送给所述数据处理模块；第四步：所述数据处理模块将接收到的矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，并对该熔池振荡时域信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。

其中，所述第一步中，所述激光器发射的激光束经衍射光栅照射于熔池表面。

其中，所述第四步中，所述数据处理模块将接收到的矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号的步骤为：使用阀值单元设定阀值i为45mv；使用二值化单元将所述数据采集卡采集到的矩阵电压信号进行二值化；使用求和单元将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，求得的和为熔池振荡时域信号。

本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置具有如下的有益效果：本发明检测装置的激光器发射激光束，该激光束照射于熔池表面并反射到硅光电池阵列上，熔池发生振荡时，经熔池表面反射到硅光电池阵列上的激光束也会发生变化，进而引起硅光电池阵列输出的矩阵电压信号发生变化，即本发明的装置通过照射于熔池表面的激光束，将熔池表面振荡反映到矩阵电压信号上。本发明的数据处理模块对硅光电池阵列输出的矩阵电压信号进行计算就可以得到熔池振荡频率，由于激光强度不会随距离的变化而减弱，激光束和矩阵电压信号的精度较高，所以检测得到的熔池振荡频率的准确度也较高，提高了检测熔池振荡频率的准确度。由于本发明的数据处理模块计算速度很快，所以本发明的装置可以实时检测熔池振荡频率。

由于熔池表面都能发生类镜面反射及熔池表面反射对熔池振荡的光学放大作用，当连续焊接时虽然熔池振荡时表面振幅很小，但引起的激光束反射角度变化很大，在硅光电池阵列上成像后相当于对熔池振荡行为进行了光学放大，即由熔池振荡引起的矩阵电压信号较大，通过检测矩阵电压信号并根据矩阵电压信号进行计算能够得到熔池振荡频率，所以本发明的装置不仅能够用于定点或步进焊接，还能够用于连续焊接，由于连续焊接的效率比定点焊接的效率高，所以提高了生产效率。本发明的装置能够用于压力容器和导弹壳体等精密仪器的焊接。

附图说明

图1为本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置的结构示意图；

图2为本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置的数据处理模块的结构示意图

图3为包括图1所示的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置的焊接系统的结构示意图；

图4为本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置的硅光电池阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的技术方案。

如图1所示，本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置包括激光器20、激光器固定架22、滤光片16、硅光电池阵列17、硅光电池阵列固定架21、数据采集卡11和数据处理模块10。数据采集卡11分别与数据处理模块10和硅光电池阵列17连接，硅光电池阵列17是由多个硅光电池单元排列形成的阵列，数据处理模块10可以是计算机。激光器固定架22可以是由角钢焊接而成的支架，用于固定激光器20；硅光电池阵列固定架21也可以是由角钢焊接而成的支架，用于固定硅光电池阵列17。

滤光片16贴于硅光电池阵列17表面，滤光片16的大小与硅光电池阵列17的大小相同。使用本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置时，将激光器20放置于激光器固定架22上，以将激光器20固定；同时将硅光电池阵列17固定于硅光电池阵列固定架21上，且激光器20与硅光电池阵列17分居焊枪18两侧，以使激光器20发射的激光束照射于熔池表面，并经该熔池表面反射到硅光电池阵列17上，当激光束被硅光电池阵列17所接收时，将会引起硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号发生变化。在焊接过程中的脉冲峰值阶段，熔池表面受到电弧力作用而发生压缩变形，脉冲峰值阶段结束后进入脉冲基值阶段，由于脉冲基值阶段的焊接电流变小，脉冲电弧力突然减小，熔池发生振荡，熔池发生振荡时，经熔池表面反射到硅光电池阵列17上的激光束会发生变化，从而引起硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号发生变化，本发明的装置就是根据硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号来计算出熔池振荡频率。

数据采集卡11用于采集硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号，并将采集到的矩阵电压信号发送给数据处理模块10。数据处理模块10将接收到的矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，然后对该时域信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。

如图2所示，数据处理模块10包括阀值单元101、二值化单元102和求和单元103，二值化单元102分别与阀值单元101和求和单元103连接，阀值单元101用于设定阀值i为45mv，二值化单元102用于将数据采集卡11采集到的硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号进行二值化，求和单元103用于将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，该求得的和为熔池振荡时域信号。

其中，滤光片16的作用是滤除弧光和外界其他光源，以避免弧光和外界其他光源的干扰。硅光电池阵列17响应波长的中心波长与激光器20发射的激光束的中心波长一致，例如硅光电池阵列17响应波长的中心波长与激光器20发射的激光束的中心波长的偏差小于10nm，以使硅光电池阵列17能够接收激光器20发射的激光束。滤光片16的中心波长与激光器20发射的激光束的中心波长及半带宽一致，例如滤光片16的中心波长与激光束的中心波长的偏差小于10nm，滤光片16的中心波长与激光束的半带宽的偏差小于10nm，以使滤光片16能够接收激光器20发射的激光束。

优选地，激光器20的前侧设置有衍射光栅19，激光器20发射的激光束先经过衍射光栅19再照射于熔池表面，衍射光栅19能够将激光器20发射的激光束投影成多条平行线结构光，这样激光束能够覆盖整个熔池表面，激光束能更精确的反映熔池表面振荡状态。

优选地，硅光电池阵列17垂直于焊接工件15，激光器20与焊枪18的轴线位于同一平面，且该平面与硅光电池阵列17垂直，这样能够使激光束经熔池表面全部反射到硅光电池阵列17上，熔池振荡就能够全部反映到硅光电池阵列上，数据处理模块10根据硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号计算得出的熔池振荡频率更准确。

如图3所示，一种焊接系统，包括上述检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，还包括变频器控制柜12、工作平台14、脉冲钨极氩弧焊焊接电源13、焊接工件15和焊枪18，该变频器控制柜12分别与数据采集卡11和工作平台14连接，焊接工件15放置在工作平台14上且该焊接工件15底部悬空，脉冲钨极氩弧焊焊接电源13将焊接工件15与焊枪18相连形成回路，焊枪18末端靠近焊接工件15待焊接处，在焊接过程中焊枪18的位置不发生移动。本发明焊接系统在工作过程中，数据处理模块10将工作平台14的移动速度信号发送给数据采集卡11，该数据采集卡11接收并将该移动速度信号发送给变频器控制柜12，该变频器控制柜12根据接收到的移动速度信号控制工作平台14的移动速度。本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置与本发明焊接系统可以共用数据处理模块10和数据采集卡11。

如图1所示，本发明检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法包括以下步骤：

第一步：将激光器20固定于激光器固定架22上，将硅光电池阵列17固定于硅光电池阵列固定架22上，焊接开始后，使用激光器20发射激光束，该激光束经衍射光栅19照射于熔池表面，照射于熔池表面的激光束发生反射，并反射到硅光电池阵列17上，激光束在硅光电池阵列17上成像。

第二步：在脉冲峰值阶段结束时，数据处理模块10向数据采集卡11发送开始信号，该数据采集卡11接收该开始信号并开始采集脉冲基值阶段硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号。

第三步：数据采集卡11将采集的硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号发送给数据处理模块10。

第四步：数据处理模块10将接收到的矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，然后对该时域信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。其中，将硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号转换为熔池振荡时域信号的步骤为：

1.如图3所示，使用阀值单元101设定阀值i为45mv(毫伏)，激光束反射到硅光电池阵列17上后，被激光条纹照射的硅光电池单元的电压信号将明显增大，通常被激光条纹照射到的硅光电池单元的电压大于45mv，而未被激光条纹照射到的硅光电池单元的电压信号基本不变，且未被激光条纹照射到的硅光电池单元的电压小于45mv，所以将阀值i设为45mv，以区分被激光条纹照射到的硅光电池单元和未被激光条纹照射到的硅光电池单元。

2.数据采集卡11采集到硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号后，使用二值化单元102将矩阵电压信号进行二值化，即将小于阈值i的硅光电池单元的电压变为0，将大于阈值i的硅光电池单元的电压变为1。

3.使用求和单元103将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，将求得的和作为熔池振荡时域信号。熔池振荡会引起反射到硅光电池阵列17上的激光条纹发生变化，激光条纹的变化会引起硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号的变化，所以使用矩阵电压信号来表征熔池振荡信号，矩阵电压信号的数值为矩阵电压信号中所有元素的和，所以将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，将求得的和作为熔池振荡时域信号。

下面通过一个例子介绍将硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号转换为熔池振荡时域信号的步骤：

1.使用阀值单元101设定阀值i为45mv，如图4所示，硅光电池阵列17包括100个硅光电池单元171，该100个硅光电池单元171组成10X10的矩阵。

2.数据采集卡11采集到的硅光电池阵列17输出的矩阵电压信号如下：

$\left[\begin{array}{cccccccccc}1& 5& 4& 2& 5& 1& 5& 4& 2& 1\\ 5& 10& 55& 65& 70& 63& 55& 10& 5& 8\\ 66& 75& 53& 52& 6& 8& 54& 65& 60& 9\\ 5& 4& 55& 53& 72& 78& 54& 8& 7& 10\\ 2& 55& 50& 30& 10& 56& 60& 62& 10& 5\\ 3& 13& 70& 72& 78& 88& 60& 30& 5& 6\\ 5& 4& 12& 62& 75& 80& 15& 20& 5& 10\\ 3& 6& 51& 12& 2& 5& 9& 4& 6& 9\\ 5& 3& 2& 51& 56& 62& 54& 5& 11& 12\\ 5& 9& 11& 13& 5& 8& 15& 18& 21& 15\end{array}\right]$

使用二值化单元102将上述矩阵电压信号进行二值化，即将小于阈值i的硅光电池单元的电压变为0，将大于阈值i的硅光电池单元的电压变为1，二值化后的矩阵电压信号如下：

$\left[\begin{array}{cccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 1& 1& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

3.使用求和单元103将上述二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，该矩阵电压信号中所有元素的和为35，将35作为熔池振荡时域信号。

Claims (10)

1.一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，其特征在于，包括激光器、激光器固定架、滤光片、硅光电池阵列、硅光电池阵列固定架、数据采集卡和数据处理模块，所述数据采集卡分别与所述数据处理模块和所述硅光电池阵列连接；所述滤光片贴于所述硅光电池阵列表面；使用所述检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置时，所述激光器固定于所述激光器固定架上，所述硅光电池阵列固定于所述硅光电池阵列固定架上，且所述激光器与所述硅光电池阵列分居焊枪两侧，以使所述激光器发射的激光束照射于熔池表面，并经该熔池表面反射到所述硅光电池阵列上，所述数据采集卡用于采集所述硅光电池阵列输出的矩阵电压信号并发送给所述数据处理模块，该数据处理模块用于将所述矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，并对该时域信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。

2.根据权利要求1所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，其特征在于，还包括衍射光栅，该衍射光栅位于所述激光器前侧，所述激光器发射的激光束经过所述衍射光栅照射于熔池表面。

3.根据权利要求1或2所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，其特征在于，所述硅光电池阵列垂直于焊接工件，所述激光器与所述焊枪的轴线位于同一平面，且该平面与所述硅光电池阵列垂直。

4.根据权利要求1或2所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，其特征在于，所述硅光电池阵列响应波长的中心波长与所述激光器发射的激光束的中心波长的偏差小于10nm。

5.根据权利要求1或2所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，其特征在于，所述滤光片的中心波长与所述激光器发射的激光束的中心波长及半带宽的偏差小于10nm。

6.根据权利要求1或2所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置，其特征在于，所述数据处理模块包括阀值单元、二值化单元和求和单元，所述二值化单元分别与所述阀值单元和所述求和单元连接，所述阀值单元用于设定阀值i为45mv，所述二值化单元用于将所述数据采集卡采集到的所述硅光电池阵列输出的矩阵电压信号进行二值化，所述求和单元用于将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，该求得的和即为熔池振荡时域信号。

7.一种包括权利要求1-6中任一项所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的装置的焊接系统，还包括变频器控制柜、工作平台、脉冲钨极氩弧焊焊接电源和焊枪，该变频器控制柜分别与所述数据采集卡和所述工作平台连接，所述数据处理模块用于将移动速度信号发送给所述数据采集卡，该数据采集卡用于接收该移动速度信号并发送给所述变频器控制柜，该变频器控制柜根据接收到的所述移动速度信号控制所述工作平台的移动速度；焊接工件放置在所述工作平台上，所述脉冲钨极氩弧焊焊接电源将所述焊接工件与所述焊枪相连形成回路。

8.一种检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将所述激光器固定于所述激光器固定架上，将所述硅光电池阵列固定于所述硅光电池阵列固定架上，使用所述激光器发射激光束，该激光束照射于熔池表面并反射到所述硅光电池阵列上；

第二步：在脉冲峰值阶段结束时，所述数据处理模块向所述数据采集卡发送开始信号，该数据采集卡开始采集所述硅光电池阵列输出的矩阵电压信号；

第三步：所述数据采集卡将采集的矩阵电压信号发送给所述数据处理模块；

第四步：所述数据处理模块将接收到的矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号，并对该熔池振荡时域信号进行快速傅里叶变换以得到熔池振荡频率。

9.根据权利要求8所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法，其特征在于，所述第一步中，所述激光器发射的激光束经衍射光栅照射于熔池表面。

10.根据权利要求8或9所述的检测脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率的方法，其特征在于，所述第四步中，所述数据处理模块将接收到的矩阵电压信号转换成熔池振荡时域信号的步骤为：

使用阀值单元设定阀值i为45mv；

使用二值化单元将所述数据采集卡采集到的矩阵电压信号进行二值化；

使用求和单元将二值化后的矩阵电压信号中的所有元素求和，求得的和为熔池振荡时域信号。