CN107081503A - 一种弧焊质量的红外无损检测装置及其红外无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种弧焊质量的红外无损检测装置及其红外无损检测方法，在电弧自动焊接过程中对焊接电流、电极与工件之间的电压进行实时采集，并对由送丝速度、焊接速度、表面状态等引起焊接质量问题的因素进行监测，实现焊接动态参数和焊接状态的在线检测和调整。红外无损检测就是利用红外线测温量焊缝温度场的分布,它可以用于结构完整性检测和缺陷分析，评价不同焊接工艺参数作用下的焊接质量。缺陷部位使被检测表面产生温差，在热作用下会在表面产生不同的能量分布，可通过信号的处理，热图像的分析，判断缺陷的类型和位置，从而实现焊接表面裂纹、未熔合、气孔、夹渣、焊道偏离等缺陷的非接触式无损自动检测。

Description

一种弧焊质量的红外无损检测装置及其红外无损检测方法
技术领域
本发明具体涉及电弧焊接质量监测技术领域，具体涉及一种弧焊质量的红外无损检测装置及其红外无损检测方法。
背景技术
焊接技术不仅是一种现代化了的传统加工技术，而且已发展成为一种将材料永久连接，并使焊接接头具有特定功能的先进制造技术。由于在焊接过程中瞬时大量热输入，熔池的不均匀凝固和再结晶及机械干扰等因素的影响，焊缝不可避免地会产生裂纹、未熔合、气孔、夹渣等焊接缺陷。为了保证焊接产品的质量，必须及时和有效地检测出焊接缺陷。在实际生产过程中，除了目测焊接表面缺陷与成型缺陷外，通常还需要采用无损检测技术来检测焊接缺陷，因此一种有效的焊接缺陷无损检测方法具有重要的现实意义。
常规无损检测技术，对焊接缺陷很难做到在线实时探测，更多的是通过破坏试验，射线探伤，超声波等方法进行的焊后检测。任何温度高于绝对零度（-273℃）的物体都辐射红外能量，红外线的辐射特性是红外热成像的理论依据和检测技术的重要物理基础。红外探测器检测到辐射强度并显示数字图像，不同的像素值的图片代表不同的红外强度，红外图像是物体红外辐射的二维图像化，它反映物体表面的温度分布状况。
红外检测利用红外线辐射原理对材料表面进行检测的方法。其实质是缺陷与材料的热扩散系数不同，那么在工件表面的温度分布就会有差异，有缺陷区域所对应的表面温度不同，发出的红外光波（热辐射）也就不同，从而发现工件表面温度异常区域，确定缺陷的部位。
中国发明专利申请号201020107527.1，“一种视觉检测传感装置”，对机器人激光焊接过程中视觉传感获取焊后表面形貌质量，跟踪焊缝和实时监测熔池变化起到了一定的作用，在焊接工艺变化方面缺乏参数反馈信息，也没有应用含温度轮廓信息的红外视觉。焊接质量监测方式也只针对激光焊接。又如专利申请号201210325926.9，“基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法”，使用了红外技术，但其应用局限于窄间隙焊接，对焊接过程的监控仅仅是针对焊缝偏差，没有考虑其它焊接缺陷的监测。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的提供了一种弧焊质量的红外无损检测装置及其红外无损检测方法。
本发明采用的技术解决方案是：一种弧焊质量的红外无损检测装置，包括焊接系统、温感扫描系统、传感控制系统以及计算机辅助系统，所述的焊接系统包括焊机与焊枪，所述的焊机与焊枪相连，所述的温感扫描系统由TPS主箱和TPS探头以及保护气源组成，所述的TPS探头固定在焊枪上，所述的TPS主箱和TPS探头以及保护气源通过线缆相连，所述的TPS探头位于焊枪的后方，所述的TPS探头对已经凝固并仍处于红热状态焊缝进行跟踪式扫描，经由传感控制系统将数据传给计算机辅助系统。
所述的TPS探头包括红外接收器，所述的红外接收器前端设有孔准直器，所述的孔准直器上设有由若干彼此相互平行的管状结构形成的测量通道。
所述的测量通道由16-22个管状结构组成。
所述的保护气源为氩气源。
所述的焊接系统还包括循环冷却水机构，所述的循环冷却水机构分别于焊枪和TPS探头连接。
所述的红外接收器与孔准直器之间还设有保护气进口。
一种红外无损检测方法，包括以下步骤：
（1）在焊接过程中扫描处于红热状态的焊缝；
（2）收集并发送所述焊缝红外热成像数据和所对应的焊接工艺参数；
（3）通过计算机辅助系统将所述焊接参数与预先选定的进行比较，并对红外图像进行分析，确定焊接缺陷类型、位置。
所述的步骤（3）红外图像中熔池图像在横向截面相应位置上产生偏移，产生不对称的熔深，电压曲线也出现大波动，则为焊道偏离和未融合缺陷。
所述的步骤（3）红外图像中部分温度低于焊缝其它区域，并且缩短了距钨极之间的长度，电压发生突然降低的现象，则为存在夹杂或者夹渣缺陷。
所述的步骤（3）红外图像中颜色出现逐渐变宽和变浅的部分，则焊接速度下降。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种弧焊质量的红外无损检测装置及其红外无损检测方法，在电弧自动焊接过程中对焊接电流、电极与工件之间的电压进行实时采集，并对由送丝速度、焊接速度、表面状态等引起焊接质量问题的因素进行监测，实现焊接动态参数和焊接状态的在线检测和调整。红外无损检测就是利用红外线测温量焊缝温度场的分布,它可以用于结构完整性检测和缺陷分析，评价不同焊接工艺参数作用下的焊接质量。缺陷部位使被检测表面产生温差，在热作用下会在表面产生不同的能量分布，可通过信号的处理，热图像的分析，判断缺陷的类型和位置，从而实现焊接表面裂纹、未熔合、气孔、夹渣、焊道偏离等缺陷的非接触式无损自动检测。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明TPS探头内部结构示意图。
图3为本发明红外无损检测方法工作示意图。
图4为本发明方法所检测焊缝偏移和未熔合缺陷示意图及红外热图像。
图5为本发明方法所涉及夹渣缺陷类型示意图及红外热图像。
图6为本发明方法所涉及夹渣缺陷类型示意图及红外热图像。
图中1-传感控制系统，2-计算机辅助系统，3-焊机，4-TPS探头，5-循环冷却水机构，31-焊枪，41-保护气源，42-红外接收器，43-孔准直器，44-保护气进口。
具体实施方式
现结合图1、图2、图3、图4、图5、图6对本发明进行进一步说明，一种弧焊质量的红外无损检测装置，包括焊接系统、温感扫描系统、传感控制系统1以及计算机辅助系统2，计算机辅助系统对工艺参数进行处理和计算，以曲线或者图形的形式输出结果，同时伴随便于分辨焊缝温度梯度分布的红外热图像的输出。所述的焊接系统包括焊机3与焊枪31，所述的焊机3与焊枪31相连，所述的温感扫描系统由TPS主箱和TPS探头4以及保护气源41组成，所述的保护气源41为氩气源。所述的TPS探头4固定在焊枪31上，所述的TPS主箱和TPS探头4以及保护气源41通过线缆相连，所述的TPS探头4位于焊枪31的后方，所述的TPS探头4对已经凝固并仍处于红热状态焊缝进行跟踪式扫描，经由传感控制系统1将数据传给计算机辅助系统2。
所述的TPS探头4包括红外接收器42，所述的红外接收器42前端设有孔准直器43，所述的孔准直器43上设有由若干彼此相互平行的管状结构形成的测量通道。所述的测量通道由16-22个管状结构组成。所述的红外接收器42与孔准直器43之间还设有保护气进口44。
所述的焊接系统还包括循环冷却水机构5，所述的循环冷却水机构5分别于焊枪31和TPS探头4连接。当TPS探头的温度超过50℃时，循环水自动对其进行冷却。
本发明选用低碳钢Q235为母材，尺寸为100mm×100mm×3mm，填充材料是直径为1.2 mm的ER50-6 焊丝，焊接方法为钨极氩弧（TIG）焊接,设备为福尼斯公司的Magic Wave3000逆变全数字化氩弧焊机。
表1：焊接实验参数
编号 钨极高度/mm 焊接电流/A 送丝速度m/min 焊接速度m/min
1 5-6 140 0.34 0.24
2 大于8 140 0.34 0.24
3 5-6 140 0.34 大于0.4
由图4可见当电弧与焊缝产生偏移后，熔池图像的分布同样向上产生了偏移，在热后外图像上可以看到熔池偏移。偏离中心位置的焊枪会引起不对称的熔深，当焊枪的偏移位置较小且肉眼很难发现时，将严重危害焊接结构的安全使用性，通过红外实时监测技术可有效控制该类缺陷。未熔合缺陷存在时，电压曲线也出现较大波动。
图5由于夹渣的存在，阻碍了温度的扩散，导致该处温度略低于焊缝其他部分，并且随着夹渣体积的增大，温度降低越大，当夹渣较大时，甚至会引起熄弧现象。
当焊接速度由40cm/min降到24cm/min时，红外热图像（图6）上颜色逐渐变浅，焊缝宽度逐渐变大。
红外测温是非接触式在线方式，测量速度快、范围宽、灵敏度高，对于被测温度场无干扰，是一种快速、有效、定性的检验结构状态的工具。红外实时检测焊接过程就是通过红外扫描仪对熔池进行监测。焊接熔池的成型能够反映焊缝外观以及存在的缺陷等信息，对焊接缺陷的检测提供了一个广泛的可能性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种弧焊质量的红外无损检测装置，其特征在于，包括焊接系统、温感扫描系统、传感控制系统（1）以及计算机辅助系统（2），所述的焊接系统包括焊机（3）与焊枪（31），所述的焊机（3）与焊枪（31）相连，所述的温感扫描系统由TPS主箱和TPS探头（4）以及保护气源（41）组成，所述的TPS探头（4）固定在焊枪（31）上，所述的TPS主箱和TPS探头（4）以及保护气源（41）通过线缆相连，所述的TPS探头（4）位于焊枪（31）的后方，所述的TPS探头（4）对已经凝固并仍处于红热状态焊缝进行跟踪式扫描，经由传感控制系统（1）将数据传给计算机辅助系统（2）。
2.根据权利要求1所述的一种弧焊质量的红外无损检测装置，其特征在于，所述的TPS探头（4）包括红外接收器（42），所述的红外接收器（42）前端设有孔准直器（43），所述的孔准直器（43）上设有由若干彼此相互平行的管状结构形成的测量通道。
3.根据权利要求2所述的一种弧焊质量的红外无损检测装置，其特征在于，所述的测量通道由16-22个管状结构组成。
4.根据权利要求1所述的一种弧焊质量的红外无损检测装置，其特征在于，所述的保护气源（41）为氩气源。
5.根据权利要求1所述的一种弧焊质量的红外无损检测装置，其特征在于，所述的焊接系统还包括循环冷却水机构（5），所述的循环冷却水机构（5）分别于焊枪（31）和TPS探头（4）连接。
6.根据权利要求2所述的一种弧焊质量的红外无损检测装置，其特征在于，所述的红外接收器（42）与孔准直器（43）之间还设有保护气进口（44）。
7.一种权利要求1所述的弧焊质量的红外无损检测装置的红外无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在焊接过程中扫描处于红热状态的焊缝；
（2）收集并发送所述焊缝红外热成像数据和所对应的焊接工艺参数；
（3）通过计算机辅助系统将所述焊接参数与预先选定的进行比较，并对红外图像进行分析，确定焊接缺陷类型、位置。
8.根据权利要求7所述的红外无损检测方法，其特征在于，所述的步骤（3）红外图像中熔池图像在横向截面相应位置上产生偏移，产生不对称的熔深，电压曲线也出现大波动，则为焊道偏离和未融合缺陷。
9.根据权利要求7所述的红外无损检测方法，其特征在于，所述的步骤（3）红外图像中部分温度低于焊缝其它区域，并且缩短了距钨极之间的长度，电压发生突然降低的现象，则为存在夹杂或者夹渣缺陷。
10.根据权利要求7所述的红外无损检测方法，其特征在于，所述的步骤（3）红外图像中颜色出现逐渐变宽和变浅的部分，则焊接速度下降。
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