CN109297976A - 基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台及方法，根据对穿透焊能量模型的分析，通过搭建激光穿透焊缺陷检测平台，利用光电传感检测模块检测焊区的完整光辐射能量、工件下方背衬底板与接触式振动传感器检测焊缝穿透能量、激光器输出的激光功率信号，在工控机重构完整的穿透焊能量模型与焊接反应区指示信号，实现激光穿透焊缺陷检测。与现有技术相比，本发明检测含括了所有的焊接现象，有效防止检测对象外的焊接现象干扰，减少激光焊接耦合机制对缺陷识别可靠性的影响，利用具有极高采样速率的光电传感器与振动传感器以适应激光焊接耦合作用的高频变化，且具有良好的经济性。

Description

基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台及方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接质量控制方法，具体地涉及一种借助激光焊接能量分配检测装置，识别激光焊接能量分配变化，通过机器学习进行缺陷发生预测及抑制的焊接质量控制方法。

背景技术

激光深熔焊接具有深宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接变形小优点。随着高光束质量高能级的光纤激光器出现，厚板激光深熔焊接一次成形成为可能。因此，激光穿透焊接已广泛应用到能源、造船、航空航天、装备制造、铁路适应各种不同厚度板件焊接制造行业中。

但由于焊接过程中金属蒸汽波动，匙孔形态变化，熔池振荡因素引起的复杂耦合作用，穿透焊接仍会出现咬边、焊瘤、塌陷、爆裂缺陷，影响着焊接行业的生产效率与生产质量。为提高焊接质量，国内外学者及企业不断研究焊接缺陷形成机制、并利用传感器对焊接缺陷进行识别控制。常见的传感检测方式与检测对象有，光电传感器检测焊区可见光辐射与激光反射，光谱仪检测焊区元素含量波动；视觉传感区检测金属蒸汽匙孔与飞溅；电探针检测等离子体。如发明专利CN201610099733.4利用高速相机拍摄焊区进行焊接质量检测；发明专利201410080669.6利用光谱仪采集焊区等离子体与金属蒸汽辐射进行焊接质量检测；发明专利201510664238.9利用电信号检测装置检测等离子体的变化特性进行焊接质量检测。

现有常见的缺陷检测装置检测方式单一，往往只针对少数焊接现象进行缺陷检测。但由于激光焊接耦合作用机制的复杂性，缺陷检测效果容易受到检测对象外的焊接现象干扰，而影响缺陷的识别可靠性。

发明内容：

为解决现有技术的不足，本发明解决的主要问题是寻求能够有效检测焊接过程完整现象的方式，减少检测系统外的现象对缺陷检测效果的影响。

本项目从焊接过程的能量守恒规律分析，穿透焊时，将焊接过程的能量分为输入激光能量，工件焊区的反应能量，激光反射能量，上方金属蒸汽能量，下方金属蒸汽能量，焊缝穿透能量。其中输入激光能量可近似看做其他各种能量的总和。利用对应的检测方式对焊接系统各种能量进行检测分析，其中不包括工件焊区的反应能量。在此基础上进行焊接试验，分析各种信号在缺陷发生前后的信号特征。分析发现，通过构建完整的能量模型，利用其它的能量信号变化还原工件焊区的反应能量，能够与工件的缺陷发生对应，并能检测焊接过程的完整现象，避免额外现象对检测的干扰。特别地，分析发现下方金属蒸汽能量与焊缝穿透能量存在正相关关系，据此可以对焊缝穿透能量信号乘以一个系数，以反映下方金属蒸汽能量与焊缝穿透能量整体波动。

据此，本发明提供一种基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台及方法。本发明的技术方案是这样实现的：

基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台包括，

一个焊接平台支架，夹持焊接工件与背衬底板；

一个安装在焊接平台支架上的并具有外扩光路的激光头；

一台激光器通过光纤与激光头相连，用于激光输入，且可将激光束功率在线变化能输出到工控机上；

一个安装在激光头外扩光路上，具备分光滤光与光电转化功能的光电检测装置；

可选地，为光纤准直镜与光电传感器的组合；

一个置于激光头下方，与焊接平台支架连接的传动平台；

焊接工件放置在激光头下方，并夹持在传动平台上；

一块背衬底板置于焊接工件证下方，安置于焊接平台支架上；

一个放置在背衬底板上的接触式振动传感器。

一个高采样速率的数据采集模块，与上述接触式振动传感器及光电检测装置相连进行数据采集；

一台工控机与数据采集模块相连，并控制整个焊接平台的运作。

本发明的实施步骤如下：

步骤1：在基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台上，预设穿透焊所需的工艺参数进行多组激光焊接实验；

步骤2：在步骤1进行实验过程中，将激光器发生的激光功率信号传输到工控机；并利用激光头外扩光路上的光电检测装置对激光与工件作用产生的光辐射进行采集与传输分光得到可见光辐射与激光反射，利用光电传感器进行光电转换；利用振动传感器采集焊接过程穿透激光能量对背衬底板作用的振动信号，以此间接获得焊缝穿透能量的变化；

步骤3：将步骤2得到可见光辐射、激光反射与背衬底板振动的模拟量，经过数据采集模块采样，向工控机输出得到可见光信号、激光反射信号、背衬底板振动信号，并与激光功率信号构建激光焊接能量分配模型；

步骤4：利用步骤3中工控机获得的激光焊接能量分配模型数据，根据能量守恒，构建反应区能量指示信号等式

S_反应＝aS_激光能量-bS_{上方金属蒸汽}-cS_激光反射-DS_{焊缝穿透能量}

其中S_激光能量为激光功率信号，S_{上方金属蒸汽}、S_激光反射、S_{焊缝穿透能量}为可见光辐射信号，激光反射信号，振动传感器信号；

步骤5：在步骤4的基础上，进行多组焊接实验，通过合适的方法对S_反应等式中的待定系数a，b，c，D进行确定；

将激光功率信号、可见光信号、激光反射信号、背衬底板振动信号作为向量输入，通过机器学习的方式获得权重矩阵，确定等式中的待定系数a，b，c，D；

步骤6：设置穿透焊所需的工艺参数进行正常激光焊接加工，利用检测平台获得完整能量模型数据与步骤4、5的等式在线获取工件反应能量的指示信号，实现焊接缺陷识别。

实施本发明的有益效果主要有：

1、本发明的激光穿透焊接缺陷识别基于重构的完整焊接能量模型，相比于现有检测方法，含括了所有的焊接现象，有效防止检测对象外的焊接现象干扰，减少激光焊接耦合机制对缺陷识别可靠性的影响。

2、由于激光焊接的内部作用机制的复杂性，焊接作用过程往往变化十分剧烈。本发明所述的检测平台所采用的传感器为光电传感器与振动传感器，相比于目前常用的视觉检测手段，能够提供更高的检测速率以适应高速变化的激光焊接耦合；

3、本发明所述的检测平台结构与实现方式简单，相比于目前常见的视觉检测，不需借助图像识别技术，降低了对专用检测设备与图像识别能力的依赖，从而降低了焊偏情况检测的难度与成本，具有良好的经济性。

附图说明

图1为本发明的其中一个实施例的硬件系统图，该实例接头方式为对接焊；

图中，1-激光器、2-光电检测装置、3-激光头、31-激光、4-工件、41-上方金属蒸汽、42-下方金属蒸汽、43-焊缝穿透能量、5-背衬底板、6-振动传感器、7-焊接平台支架、71-传动平台、8-工控机；

图2为本发明的实现过程流程图；

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台及方法。本发明的技术方案是这样实现的：

请参见图1，本发明的实施例硬件系统为基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台，

包括一个焊接平台支架7，夹持焊接工件4与背衬底板5；一个安装在焊接平台支架上的并具有外扩光路的激光头3；一台激光器1通过光纤与激光头3相连，用于激光输入，且可将激光束功率在线变化能输出到工控机8上；一个安装在激光头3外扩光路上，具备分光滤光与光电转化功能的光电检测装置2，其为光纤准直镜与光电传感器的组合；一个置于激光头3下方，与焊接平台支架连接的传动平台71；焊接工件4放置在激光头下方，并夹持在传动平台71上；一块背衬底板5置于焊接工件4正下方，安置于焊接平台支架7上；一个放置在背衬底板5上的接触式振动传感器6。一个高采样速率的数据采集模块，与上述接触式振动传感器6及光电检测装置2相连进行数据采集；

一台工控机8与数据采集模块相连，并控制整个焊接平台的运作。

本发明的实现过程流程图如图2所示；

本实施例中，焊接材料采用厚度8mm的高强钢，背衬底板采用304不锈钢。激光器选用光纤激光器。设置穿透焊所需的焊接参数。

焊接过程中，激光31与高强钢工件4作用，由于穿透焊，在工件上方与下方均产生剧烈变化的金属蒸汽，焊缝穿透激光43在背衬底板5上产生热效应，引起背衬底板5的受激振动。

利用检测平台的光电检测装置2与背衬底板上的接触式振动传感器6分别对焊区的光辐射与背衬底板的受激振动进行采样并向数据采集模块。

其中光电检测装置2内部包含分光滤光装置、光电传感器。采集400-1100nm的光辐射，并通过二向色镜将其按波长分束得到可见光辐射400-900nm与900-1100nm激光反射。可见光辐射与激光反射分别辐照在对应的光电传感器上进行光电转换向数据采集模块输出模拟电信号。

数据采集模块分出3个通道分别对可见光、激光反射、背衬底板振动信号进行采样输出。本实施例选用的采样频率为500000fps，以捕捉高频变化的激光焊接能量模型特征波动。

工控机获取数据采集模块的3个通道信号与激光器输出的激光功率信号，构建能量模型与反应区能量指示信号。其中反应区能量指示信号构建公式为

S_反应＝aS_激光能量-bS_{上方金属蒸汽}-cS_激光反射-DS_{焊缝穿透能量}

S_反应为反应区能量的指示信号，S_激光能量为激光功率信号，S_{上方金属蒸汽}、S_激光反射、S_{焊缝穿透能量}为可见光辐射信号，激光反射信号，振动传感器信号。

本实施例采用机器学习方式获得公式参数，a，b，c，D。具体为，多组实验后，将激光功率信号，可见光辐射信号，激光反射信号，振动传感器信号构建4维的向量输入到神经网络。对焊缝进行拍摄，并对拍摄图片中各采样时刻对应的焊接状态进行标记获得标记数据。将输入向量与标记数据放入神经网络进行驯良，使用梯度下降法更新网络权值，预设学习率为0.2，迭代次数为i1500000，训练完成获得权重矩阵。

将权重矩阵各值在工控机对应输入到反应区能量指示信号公式，并进行穿透焊激光焊接加工。利用检测平台获得完整能量模型数据与在线获取工件反应能量的指示信号，即可实现焊接缺陷识别。

以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测方法，其特征在于，按照下列步骤进行：

步骤1：在基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台上，预设穿透焊所需的工艺参数进行多组激光焊接实验；

步骤2：在步骤1进行实验过程中，将激光器(1)发生的激光功率信号传输到工控机；并利用激光头(3)外扩光路上的光电检测装置(2)对激光与工件作用产生的光辐射进行采集与传输分光得到可见光辐射与激光反射，利用光电传感器进行光电转换；利用振动传感器(6)采集焊接过程穿透激光能量对背衬底板(5)作用的振动信号，以此间接获得焊缝穿透能量的变化；

步骤3：将步骤2得到可见光辐射、激光反射与背衬底板振动的模拟量，经过数据采集模块采样，向工控机(8)输出得到可见光信号、激光反射信号、背衬底板振动信号，并与激光功率信号构建激光焊接能量分配模型；

步骤4：利用步骤3中工控机(8)获得的激光焊接能量分配模型数据，根据能量守恒，构建反应区能量指示信号等式：

S_反应＝aS_激光能量-bS_{上方金属蒸汽}-cS_激光反射-DS_{焊接穿透能量}

其中S_激光能量为激光功率信号，S_{上方金属蒸汽}、S_激光反射、S_{焊缝穿透能量}为可见光辐射信号，激光反射信号，振动传感器信号；

步骤5：在步骤4的基础上，进行多组焊接实验，通过合适的方法对S_反应等式中的待定系数a，b，c，D进行确定；

步骤6：设置穿透焊所需的工艺参数进行正常激光焊接加工，利用检测平台获得完整能量模型数据与步骤4、5的等式在线获取工件反应能量的指示信号，实现焊接缺陷识别。

2.权利要求1所述的基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测方法，其特征在于，在所属的步骤5中，

将激光功率信号、可见光信号、激光反射信号、背衬底板振动信号作为向量输入，通过机器学习的方式获得权重矩阵，确定等式中的待定系数a，b，c，D。

3.如权利要求1-2任一所述的一种基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台，其特征在于，包括，

一个焊接平台支架(7)，夹持焊接工件(4)与背衬底板(5)；

一个安装在焊接平台支架(7)上的并具有外扩光路的激光头(3)；

一台激光器(1)通过光纤与激光头(3)相连；

一个安装在激光头外扩光路上的光电检测装置(2)，为自带光电传感器的滤光准直镜筒；

一个置于激光头(3)下方，与焊接平台支架(7)连接的传动平台(71)；

焊接工件(4)放置在激光头(3)下方，并夹持在传动平台(71)上；

一块背衬底板(5)置于焊接工件(4)下方，安置于焊接平台支架(7)上；

一个放置在背衬底板(5)上的接触式振动传感器(6)；

一个高采样速率的数据采集模块，与上述接触式振动传感器(6)及光电检测装置(2)相连进行数据采集；

一台工控机(8)与数据采集模块相连，并控制整个焊接平台的运作。

4.根据权利要求3中所述的基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台，其特征在于，所述的激光头(1)内部光路结构中包含一块分光镜与一块反射镜，放置在垂直于激光束的同一平面上。

5.根据权利要求3中所述的基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台，其特征在于，所述的光电检测装置(2)，内部包括一片二向色镜、两片滤光镜，两个光电传感器及信号输出端子。

6.根据权利要求3中所述的基于激光焊接能量分配的激光穿透焊缺陷检测平台，其特征在于，所述的数据采集模块(5)包括A/D转换单元、集成运放单元、带阻滤波器、高速数据存储单元及电信号输出端子。