CN106312312A - 一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法 - Google Patents

一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106312312A
CN106312312A CN201610886963.5A CN201610886963A CN106312312A CN 106312312 A CN106312312 A CN 106312312A CN 201610886963 A CN201610886963 A CN 201610886963A CN 106312312 A CN106312312 A CN 106312312A
Authority
CN
China
Prior art keywords
welding
ultrasound probe
monitoring
ultrasound
wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610886963.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106312312B (zh
Inventor
段珍珍
孙立权
王毅
贾坤宁
张晓庆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Changchun Institute Technology
Original Assignee
Changchun Institute Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute Technology filed Critical Changchun Institute Technology
Priority to CN201610886963.5A priority Critical patent/CN106312312B/zh
Publication of CN106312312A publication Critical patent/CN106312312A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106312312B publication Critical patent/CN106312312B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法，在线监测装置，是由监测主机、跟随装置及信号线构成，跟随装置的超声波探头通过信号线与监测主机相连，监测主机通过数据总线与焊接设备控制器相连，跟随装置通过连接杆与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，激光头位于工件正面施焊，超声波探头位于激光头的正前方，在压紧弹簧的压紧作用下紧贴着工件的反面，由于小孔的前端始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力。该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波，在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头的时间，从而对小孔的深度进行计算和评估。

Description

一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法
技术领域
本发明涉及汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等技术领域的一种搭接激光焊熔透状态在线监测技术，属于焊接质量控制领域。
背景技术
近年来，随着汽车、轨道客车等制造领域对薄板焊接部件质量及生产效率要求的不断提高，激光焊工艺以其高效、小变形等优势而得以广泛应用。但是，激光焊工艺对工件的组对间隙、装夹精度等条件要求较高，否则极易造成未熔透、成型不良等质量问题。因此，激光焊过程的在线监测，尤其是熔透状态监测问题一直是焊接工作者关注的热点，同时也是汽车、轨道客车等制造领域亟需解决的重点问题。
目前，激光焊过程的熔透状态监测大多采用基于等离子体的声光特性监测法和基于小孔表面特征的直接图像监测法。前者通过建立熔透状态与等离子体声光特性的数学模型，以声光信号为监测对象间接反映焊接过程的稳定性。后者则通过视觉传感器实时捕捉小孔二维图像,并根据其几何特征对接头内部的熔透状态进行评估。这些方法虽然能够提供一定的质量信息，但是其设备复杂，且存在抗干扰能力差、适用范围窄等问题，因而其进一步的推广和应用受到了极大的制约。监测技术的创新升级是解决上述问题的重要选择对策。
发明内容
本发明的目的是提供一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法，针对现阶段薄板搭接激光焊接头的焊接要求，以激光深熔焊自身所产生的超声波为对象，对焊接过程中工件的熔透状态进行监测和评估，确保其达到焊接接头的设计及工艺要求，最终实现薄板搭接激光焊接头质量的在线监测。
本发明之搭接激光焊熔透状态在线监测装置，是由监测主机、跟随装置及信号线构成，跟随装置由连接杆、锁紧螺栓、支撑杆、保持架、导向轮、压紧弹簧和超声波探头构成，保持架通过支撑杆和锁紧螺栓与连接杆连接，保持架的端部枢接导向轮，超声波探头活动穿设在保持架中，超声波探头上套设有压紧弹簧，压紧弹簧位于超声波探头头端与保持架之间，超声波探头通过信号线与监测主机相连，实现信号的传递，监测主机通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置通过连接杆与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置随着激光头同步运动。
本发明之搭接激光焊熔透状态在线监测方法：
在焊接过程中，激光头位于工件正面施焊，超声波探头位于激光头的正前方(焊接方向)，在压紧弹簧的压紧作用下紧贴着工件的反面。由于小孔的前端(焊接方向)始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力。该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波(超声波)。在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头的时间，从而对小孔的深度进行计算和评估。计算式如下：
L＝t×Vu
T = T 1 + T 2 - L 2 - D 2
式中，L为小孔底部与超声波探头直线距离，D为小孔中心与超声波探头中心的纵向距离，t为应力波(超声波)到达超声波探头的时间，Vu为超声波在金属材料的传播速度，T1为上层板的厚度，T2为下层板的厚度，T为小孔深度。
在线监测装置启动后，首先进行超声参数的初始化工作，加载预存的增益、滤波等设置参数，然后等待焊机发送来的焊接启动指令。焊接开始后，在线监测装置自动采集超声波探头所捕捉到的超声波信号，计算波头到达超声波探头的时间t，并根据公式计算小孔深度T。在线监测装置持续地将计算得到的深度数据显示于软件主界面，同时存储于内置的数据库内，直到接收到焊接停止指令，从而完成一条焊缝的监测过程，然后进入等待状态。在接收到下一个焊接开始指令后重复上述过程，最终完成所有焊缝的熔深监测。
本发明的有益效果：
针对现阶段薄板搭接激光焊接头的焊接要求，本发明以激光深熔焊自身所产生的超声波为对象，对焊接过程中工件的熔透状态进行监测和评估，确保其达到焊接接头的设计及工艺要求，最终实现了薄板搭接激光焊接头质量的在线监测。
附图说明
图1是搭接激光焊熔透状态在线监测装置结构示意图。
图2是跟随装置的工作示意图。
图3是超声波测量原理示意图。
图4是超声波信号图。
图5是小孔深度计算示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明之搭接激光焊熔透状态在线监测装置，是由监测主机1、跟随装置2及信号线3构成，跟随装置2由连接杆21、锁紧螺栓22、支撑杆23、保持架24、导向轮25、压紧弹簧26和超声波探头27构成，保持架24通过支撑杆23和锁紧螺栓22与连接杆21连接，保持架24的端部枢接导向轮25，超声波探头27活动穿设在保持架24中，超声波探头27上套设有压紧弹簧26，压紧弹簧26两端分别挤压在超声波探头27凸缘和保持架24之间，超声波探头27通过信号线3与监测主机1相连，实现信号的传递，监测主机1通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置2通过连接杆21与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置2随着激光头4同步运动。
本发明之搭接激光焊熔透状态在线监测方法：
如图2所示，在焊接过程中，激光头4位于工件5正面施焊，超声波探头27位于激光头4的正前方，图2所示的箭头为焊接方向，在压紧弹簧26的压紧作用下紧贴着工件5的反面，由于小孔6焊接方向的前端始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力。该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波即超声波A，图3所示，激光束B、溶化金属C、焊缝D。在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头27的时间，从而对小孔6的深度进行计算和评估。计算式如下：
L＝t×Vu
T = T 1 + T 2 - L 2 - D 2
式中，L为小孔6底部与超声波探头27直线距离，D为小孔6中心与超声波探头27中心的纵向距离，t为应力波(超声波)到达超声波探头27的时间，Vu为超声波在金属材料的传播速度，T1为上层板51的厚度，T2为下层板52的厚度，T为小孔6深度，如图4和图5所示。
在线监测装置启动后，首先进行超声参数的初始化工作，加载预存的增益、滤波等设置参数，然后等待焊机发送来的焊接启动指令。焊接开始后，在线监测装置自动采集超声波探头27所捕捉到的超声波信号，计算波头到达超声波探头27的时间t，并根据公式计算小孔深度T。在线监测装置持续地将计算得到的深度数据显示于软件主界面，同时存储于内置的数据库内，直到接收到焊接停止指令，从而完成一条焊缝的监测过程，然后进入等待状态。在接收到下一个焊接开始指令后重复上述过程，最终完成所有焊缝的熔深监测。
具体实例：
下面以轨道客车不锈钢车体的激光焊熔深监测为例进行说明：
(1)、监测主机1采用基于Windows系统的一体化工业电脑，内置有超声信号采集卡。超声波信号的增益范围-20～80dB，低通滤波范围0～20MHz，最大采用率160MHz。超声波探头27采用笔式聚焦探头，外壳直径Φ8mm，中心频率10MHz，聚焦深度10mm。超声波探头27前端集成有耐磨损、耐高温的延迟块，其与金属板的接触尺寸为Φ3mm。超声波探头27与监测主机1之间采用同轴电缆连接，线径4mm，阻抗50Ω。监测主机1与焊接设备控制器之间采用RS232串口总线连接，实现焊接启动、结束状态指令的传输。RS232串口采用双工通信，波特率：9600bps，数据位：8，停止位：1。
(2)、跟随装置2由连接杆21、锁紧螺栓22、支撑杆23、保持架24、导向轮25、压紧弹簧26和超声波探头27构成，连接杆21长度800mm，上端采用紧固件与激光头4相连接。压紧弹簧26套在超声波探头27壳体上，压紧弹簧26两端分别挤压在超声波探27凸缘和保持架24之间。压紧弹簧26中径10mm，簧条直径0.8mm，长度30mm，工作状态的压紧力为5N。超声波探头27中心距激光束中心的纵向距离D为5mm。
(3)、接头型式为非熔透型搭接接头，上层板51厚度1.2mm，下层板52厚度2mm。激光功率2kW，斑点直径Φ0.6mm，焊接速度20mm/s，离焦量0。焊接材料为SUS301L不锈钢，超声波在其内部的传播速度为5760m/s。
(4)、在线监测装置启动后，首先进行超声参数的初始化工作，加载预存的增益、滤波等设置参数，然后等待焊机发送来的焊接启动指令。焊接开始后，在线监测装置自动采集超声波探头27所捕捉到的超声波信号，计算波头到达超声波探头27的时间t，并根据公式计算小孔深度T。在线监测装置持续地将计算得到的深度数据显示于软件主界面，同时存储于内置的数据库内，直到接收到焊接停止指令，从而完成一条焊缝的监测过程。
在本实例所述的正常工艺条件下，接头的平均熔深为2.2mm。监测结果表明，超声波波头到达超声波探头27的时间为0.89μs，计算熔深为2.07mm，监测精度可以达到±0.2。

Claims (3)

1.一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置，其特征在于：是由监测主机(1)、跟随装置(2)及信号线(3)构成，跟随装置(2)由连接杆(21)、锁紧螺栓(22)、支撑杆(23)、保持架(24)、导向轮(25)、压紧弹簧(26)和超声波探头(27)构成，保持架(24)通过支撑杆(23)和锁紧螺栓(22)与连接杆(21)连接，保持架(24)的端部枢接导向轮(25)，超声波探头(27)活动穿设在保持架(24)中，，超声波探头(27)上套设有压紧弹簧(26)，压紧弹簧(26)两端分别挤压在超声波探头(27)凸缘和保持架(24)之间，超声波探头(27)通过信号线(3)与监测主机(1)相连，实现信号的传递，监测主机(1)通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置(2)通过连接杆(21)与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置(2)随着激光头(4)同步运动。
2.一种权利要求1所述搭接激光焊熔透状态在线监测装置的在线检测监测方法，该方法是：在焊接过程中，激光头(4)位于工件(5)正面施焊，超声波探头(27)位于激光头(4)的正前方，在压紧弹簧(26)的压紧作用下紧贴着工件(5)的反面；由于小孔(6)的焊接方向的前端始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力；该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波即超声波，在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头(27)的时间，从而对小孔(6)的深度进行计算和评估；计算式如下：
L＝t×Vu
T = T 1 + T 2 - L 2 - D 2
式中，L为小孔(6)底部与超声波探头(27)直线距离，D为小孔(6)中心与超声波探头(27)中心的纵向距离，t为应力波即超声波到达超声波探头(27)的时间，Vu为超声波在金属材料的传播速度，T1为上层板(51)的厚度，T2为下层板(52)的厚度，T为小孔(6)深度。
3.根据权利要求2所述的在线检测监测方法，该方法是：
在线监测装置启动后，首先进行超声参数的初始化工作，加载预存的增益、滤波等设置参数，然后等待焊机发送来的焊接启动指令；焊接开始后，在线监测装置自动采集超声波探头(27)所捕捉到的超声波信号，计算波头到达超声波探头(27)的时间t，并根据公式计算小孔深度T；在线监测装置持续地将计算得到的深度数据显示于软件主界面，同时存储于内置的数据库内，直到接收到焊接停止指令，从而完成一条焊缝的监测过程，然后进入等待状态；在接收到下一个焊接开始指令后重复上述过程，最终完成所有焊缝的熔深监测。
CN201610886963.5A 2016-10-12 2016-10-12 一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法 Active CN106312312B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610886963.5A CN106312312B (zh) 2016-10-12 2016-10-12 一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610886963.5A CN106312312B (zh) 2016-10-12 2016-10-12 一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106312312A true CN106312312A (zh) 2017-01-11
CN106312312B CN106312312B (zh) 2018-02-06

Family

ID=57821422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610886963.5A Active CN106312312B (zh) 2016-10-12 2016-10-12 一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106312312B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108213707A (zh) * 2018-01-26 2018-06-29 吉林大学 基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置及方法
CN110480157A (zh) * 2019-09-23 2019-11-22 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 连续变截面工件激光焊接方法和系统
CN110732773A (zh) * 2018-07-18 2020-01-31 大连交通大学 含有超声在线检测装置的激光焊接系统及激光焊接方法
CN111257433A (zh) * 2020-03-23 2020-06-09 燕山大学 一种大型铸锻件超声波自动探伤装置
CN114147382A (zh) * 2021-12-14 2022-03-08 吉林大学 电、超声波信号复合的电阻点焊质量在线监测方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5071417A (en) * 1990-06-15 1991-12-10 Rare Earth Medical Lasers, Inc. Laser fusion of biological materials
JPH09225666A (ja) * 1996-02-22 1997-09-02 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ溶接のモニタリング装置
CN101081459A (zh) * 2007-06-29 2007-12-05 华中科技大学 三维激光焊接和切割过程的实时监测装置
CN102794566A (zh) * 2012-08-24 2012-11-28 无锡汉神电气有限公司 基于旁轴ccd的激光焊接质量在线监测装置
CN103374721A (zh) * 2012-04-27 2013-10-30 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统
CN105458490A (zh) * 2015-12-30 2016-04-06 哈尔滨工业大学 一种利用高速摄像机判断激光深熔焊焊接类型的实时监测系统及监测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5071417A (en) * 1990-06-15 1991-12-10 Rare Earth Medical Lasers, Inc. Laser fusion of biological materials
JPH09225666A (ja) * 1996-02-22 1997-09-02 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ溶接のモニタリング装置
CN101081459A (zh) * 2007-06-29 2007-12-05 华中科技大学 三维激光焊接和切割过程的实时监测装置
CN103374721A (zh) * 2012-04-27 2013-10-30 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统
CN102794566A (zh) * 2012-08-24 2012-11-28 无锡汉神电气有限公司 基于旁轴ccd的激光焊接质量在线监测装置
CN105458490A (zh) * 2015-12-30 2016-04-06 哈尔滨工业大学 一种利用高速摄像机判断激光深熔焊焊接类型的实时监测系统及监测方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108213707A (zh) * 2018-01-26 2018-06-29 吉林大学 基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置及方法
CN108213707B (zh) * 2018-01-26 2019-07-30 吉林大学 基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置及方法
CN110732773A (zh) * 2018-07-18 2020-01-31 大连交通大学 含有超声在线检测装置的激光焊接系统及激光焊接方法
CN110480157A (zh) * 2019-09-23 2019-11-22 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 连续变截面工件激光焊接方法和系统
CN111257433A (zh) * 2020-03-23 2020-06-09 燕山大学 一种大型铸锻件超声波自动探伤装置
CN114147382A (zh) * 2021-12-14 2022-03-08 吉林大学 电、超声波信号复合的电阻点焊质量在线监测方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN106312312B (zh) 2018-02-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106312312A (zh) 一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法
US10399175B2 (en) Systems and methods for improving weld strength
CN107052571B (zh) 一种激光焊接设备及激光焊接方法
CN107570872B (zh) 一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法
CN202639650U (zh) 一种有自动测距和视觉定位功能的激光焊接设备
US8544714B1 (en) Certification of a weld produced by friction stir welding
CN207205619U (zh) 基于三维激光扫描的波纹焊缝跟踪系统
CN107984085A (zh) 一种异质金属激光-超声复合焊接方法及装置
CN101966624A (zh) 一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法及装置
CN110039170B (zh) 一种同质夹具辅助单道搅拌摩擦焊接t型接头装置及方法
CN103252557A (zh) 一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法
CN114619123B (zh) 一种窄间隙焊接方法、装置及系统
CN110052711A (zh) 一种激光焊接接头裂纹检测及强化系统
CN103894726A (zh) 背部增厚消除弱连接且适应板厚变化的搅拌摩擦焊方法
CN109304552A (zh) 一种焊接系统及焊缝追踪方法
CN205147572U (zh) 一种动力电池模组极耳焊接工装装置
CN204975799U (zh) 一种测量熔池温度的电弧焊接头调节装置
CN208728922U (zh) 一种安装于机器人焊枪上的激光焊接设备
CN201136080Y (zh) 一种超声波焊接设备
CN109975410A (zh) 一种塑料管道热熔对接接头超声相控阵检测扫查方式
CN207057838U (zh) 一种激光焊接机
CN207114420U (zh) 一种激光焊接在线监测系统传感器的旁轴集成装置
CN105798411A (zh) 铝合金超声电阻复合对接钎焊方法及绝缘滑动焊接装置
CN112705833B (zh) 一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺
CN104007178A (zh) 钻井平台桩腿齿条曲面角焊缝的相控阵超声检测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant