CN110000473A - 一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法，其中监控系统包括激光器、激光头以及添粉控制器，还包括缺陷检测装置和工控机；所述缺陷检测装置安装在所述激光头上并可跟随所述激光头移动，所述缺陷检测装置包括支撑主体和可活动的安装在所述支撑主体上的光敏传感器；所述工控机用于根据所述光敏传感器的检测信息控制所述添粉控制器的添粉量。本申请所提供的在线监控系统，通过增加安装在激光头上的缺陷检测装置，方便地将各设备融合在在线缺陷监控系统中，固定了各监控设备与激光焦点的相对位置，同时可调整光敏传感器观测和超声波发生器的角度，大大提高了检测的灵活性和可靠性，具有良好的经济性。
Description
技术领域
本申请涉及焊接领域，特别是涉及一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法。
背景技术
镀锌钢板以其优良的耐腐蚀性能和成形性而受到人们的青睐，尤其在汽车行业得到了广泛的应用。激光焊接具有速度快，焊缝窄，焊接热影响区小，焊接变形小，接头力学性能好等优点，因此激光焊接技术在镀锌钢板焊接领域中有着极其重要的作用。
然而，由于表面镀锌层在镀锌钢激光焊接过程中极其容易被汽化和电离，降低了其耐腐蚀性能，且容易产生气孔、飞溅、塌陷、未熔合等焊接缺陷。激光深熔焊接过程中产生的光致等离子体与焊接过程的稳定性和焊接质量有着重要的联系。
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。现有技术中，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等等。
然而，现有技术中的焊接缺陷检测系统，检测装置往往与激光头单独设置，导致检测装置与激光头需要单独控制移动，检测效果差，精度低。
因此，如何有效提高激光添粉焊接镀锌钢的质量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法，可实现在线监测和控制，检测精度高，镀锌钢的焊接质量好。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统，包括激光器、激光头以及添粉控制器，还包括缺陷检测装置和工控机；
所述缺陷检测装置安装在所述激光头上并可跟随所述激光头移动，所述缺陷检测装置包括支撑主体和可活动的安装在所述支撑主体上的光敏传感器，所述光敏传感器可移动至与所述激光头的焦点位置对应；
所述光敏传感器和所述添粉控制器均与所述工控机连接，所述工控机用于根据所述光敏传感器的检测信息控制所述添粉控制器的添粉量。
优选的，所述支撑主体与所述光敏传感器之间设有第一支撑架，所述第一支撑架包括转动连接的第一架体和第二架体，所述第一架体与所述支撑主体转动连接，所述光敏传感器设置在所述第二架体远离所述第一架体的端部，所述第一架体可沿横向摆动，所述第二架体可沿纵向摆动。
优选的，所述支撑主体的侧部设有转动轴，所述第一架体的端部设有可与所述转动轴配合的通孔，所述通孔与所述转动轴之间以及所述第一架体和所述第二架体之间均设有预紧力。
优选的，所述支撑主体呈套筒状，所述支撑主体套设在所述激光头的外周部。
优选的，所述支撑主体与所述激光头之间为可拆卸连接，并且，所述支撑主体与所述激光头的周向固定连接。
优选的，所述支撑主体呈方形筒状，所述激光头的周向设有若干向外侧延伸的螺杆，所述支撑主体可放置在所述螺杆上。
优选的，还包括超声波发生器和超声波换能器，所述超声波换能器安装在所述缺陷检测装置上。
优选的，还包括第二支撑架，所述超声波换能器与所述缺陷检测装置通过所述第二支撑架连接。
一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控方法，应用于如上所述的在线监控系统，包括以下步骤：
步骤1：将镀锌钢夹持在激光头和激光焦点下方，并设置合适的焊接工艺参数；
步骤2：将缺陷检测装置安装在激光头上，并将添粉管、超声波发生器、光敏传感器对准激光焦点位置；
步骤3：进行焊接，添粉管通过添粉控制器控制对镀锌钢添加铜金属粉末，打开超声波发生器对铜粉进行搅拌；
步骤4：光敏传感器采集焊接过程中镀锌钢本体的锌和铁元素等离子体光信号，并传输到工控机；
步骤5：工控机对采集得到的锌和铁元素等离子体光信号进行数据处理；
步骤6：工控机根据处理结果，将指令传输到添粉控制器，进而控制添粉管的添粉速度：当光信号强度大于第一预设强度时，则增大添粉速度；当光信号强度小于第二预设强度时，则降低添粉速度。
优选的，所述步骤2中，还包括：
通过图像采集传感器获取熔池的位置，并将熔池的位置最为作为所述光敏传感器的目标位置；缺陷检测装置上设置支撑架，光敏传感器安装在所述支撑架上，利用驱动装置控制所述支撑架移动直至所述光敏传感器移动至所述目标位置。
本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统，包括激光器、激光头以及添粉控制器，还包括缺陷检测装置和工控机；所述缺陷检测装置安装在所述激光头上并可跟随所述激光头移动，所述缺陷检测装置包括支撑主体和可活动的安装在所述支撑主体上的光敏传感器，所述光敏传感器可移动至与所述激光头的焦点位置对应；所述光敏传感器和所述添粉控制器均与所述工控机连接，所述工控机用于根据所述光敏传感器的检测信息控制所述添粉控制器的添粉量。本申请所提供的在线监控系统，通过增加安装在激光头上的缺陷检测装置，方便地将各设备融合在在线缺陷监控系统中，固定了各监控设备与激光焦点的相对位置，同时可调整光敏传感器观测和超声波发生器的角度，大大提高了检测的灵活性和可靠性；检测装置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，从而降低了缺陷检测的难度与成本，具有良好的经济性。
本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控方法，包括以下步骤：步骤1：将镀锌钢夹持在激光头和激光焦点下方，并设置合适的焊接工艺参数；步骤2：将缺陷检测装置安装在激光头上，并将添粉管、超声波发生器、光敏传感器对准激光焦点位置；步骤3：进行焊接，添粉管通过添粉控制器控制对镀锌钢添加铜金属粉末，打开超声波发生器对铜粉进行搅拌；步骤4：光敏传感器采集焊接过程中镀锌钢本体的锌和铁元素等离子体光信号，并传输到工控机；步骤5：工控机对采集得到的锌和铁元素等离子体光信号进行数据处理；步骤6：工控机根据处理结果，将指令传输到添粉控制器，进而控制添粉管的添粉速度：当光信号强度大于第一预设强度时，则增大添粉速度；当光信号强度小于第二预设强度时，则降低添粉速度。本申请所提供的在线监控方法，可同时在线检测和进行参数调整，以实时消除缺陷，增加了焊接过程中的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统中缺陷检测装置与激光头的装配示意图；
图3为本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控方法的流程图；
其中：镀锌钢(1)、光纤(2)、激光器(4)、激光头(3)、缺陷检测装置(5)、激光束(6)、添粉控制器(7)、添粉管(8)、超声波发生器(9)、超声波换能器(10)、光敏传感器(11)、工控机(12)、铜粉(13)。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法，可实现在线监测和控制，检测精度高，镀锌钢的焊接质量好。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
请参考图1至图3，图1为本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统一种具体实施方式的结构示意图；图2为本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统中缺陷检测装置与激光头的装配示意图；图3为本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控方法的流程图。
在该实施方式中，镀锌钢1激光添粉焊接缺陷在线监控系统包括激光器4、激光头3、添粉控制器7、缺陷检测装置5和工控机12。
具体的，缺陷检测装置5安装在激光头3上并可跟随激光头3移动，缺陷检测装置5包括支撑主体和光敏传感器11，光敏传感器11可活动的安装在支撑主体上，光敏传感器11可移动至与激光头3的焦点位置对应；
光敏传感器11和添粉控制器7均与工控机12连接，工控机12用于根据光敏传感器11的检测信息控制添粉控制器7的添粉量。
更具体的，激光器4与激光头3通过光纤2连接，激光头3上面安装有缺陷检测装置5，激光头3的底端发射激光束6，激光束6的下方安装有镀锌钢1。
进一步，支撑主体与光敏传感器11之间设有第一支撑架，即支撑主体与光敏传感器11之间通过第一支撑架连接，具体的，第一支撑架包括转动连接的第一架体和第二架体，第一架体与支撑主体转动连接，光敏传感器 11设置在第二架体远离第一架体的端部，第一架体可沿横向摆动，第二架体可沿纵向摆动。
具体的，将支撑主体安装在激光头3上，可以通过手动调节方式，将第一架体横向摆动，再将第二架体纵向摆动，使得光敏传感器11正对激光头3发出的激光束6的焦点。
当然，第一支撑架的位置移动也可以通过设置驱动装置，实现自动控制，例如，可以在转轴的位置设置电机，并增设控制器，利用图像采集传感器获取熔池的位置，作为光敏传感器11的目标位置，然后控制控制器控制电机转动角度，实现对第一支撑架的移动控制，即可实现对光敏传感器 11的位置自动调节，自动化程度增加。
在上述各实施方式的基础上，支撑主体的侧部设有转动轴，第一架体的端部设有可与转动轴配合的通孔，转动轴与通孔之间设有预紧力，具体可以通过过盈配合连接，同时，第一架体和第二架体之间均设有预紧力，使得光敏传感器11的位置稳定。
在上述各实施方式的基础上，支撑主体呈套筒状，支撑主体套设在激光头3的外周部。优选的，支撑主体与激光头3之间为可拆卸连接，并且，支撑主体与激光头3的周向固定连接，方便拆装。
在上述各实施方式的基础上，支撑主体呈方形筒状，激光头3的横截面也成方形，激光头3的周向设有若干向外侧延伸的螺杆，支撑主体可放置在螺杆上。即支撑主体可直接套设在激光头3的外周部，并在螺杆作用下实现限位。
在上述各实施方式的基础上，还包括超声波发生器9和超声波换能器10，超声波换能器10安装在缺陷检测装置5上。
具体的，缺陷检测装置5上面集成了添粉管8、超声波换能器10、光敏传感器11，其中光敏传感器11通过信号线与工控机12的信号输入端相连；添粉管8接入添粉控制器7，添粉控制器7通过信号线与工控机12的信号输出端相连；添粉管8可在焊接同时将铜粉13添加在镀锌钢1上方；添粉控制器7通过接收外来信号和指令，控制添粉管8的添粉速度；超声波换能器10通过信号线与超声波发生器9相连，超声波换能器10能将超声波发生器9传输过来的脉冲信号转换成超声波振动，将添加在镀锌钢1 上的铜粉13搅拌均匀，同时也起到了加速镀锌钢1熔池内气泡逸出的作用。
进一步，光敏传感器11可采集镀锌钢1激光添粉焊接过程中的特征元素等离子体光信号，并将信号通过信号线传输到工控机12，工控机12通过信号处理结果，对添粉控制器7发出指令，控制添粉管8的添粉量。
在上述各实施方式的基础上，还包括第二支撑架，第二支撑架安装在支撑主体的侧面，超声波换能器10与缺陷检测装置5通过第二支撑架连接，优选的，第二支撑架与第一支撑架的结构相同。
优选的，还包括第三支撑架，第三支撑架安装在支撑主体的侧面，添粉管8的端部安装在第三支撑架远离支撑主体的端部，第三支撑架的结构优选为与第一支撑架的结构相同，便于对添粉管8的位置调节。
本申请所提供的在线监控系统，通过增加安装在激光头3上的缺陷检测装置5，方便地将各设备融合在在线缺陷监控系统中，固定了各监控设备与激光焦点的相对位置，同时可调整光敏传感器11观测和超声波发生器9 的角度，大大提高了检测的灵活性和可靠性；检测装置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，从而降低了缺陷检测的难度与成本，具有良好的经济性。
除上述镀锌钢1激光添粉焊接缺陷在线监控系统外，本申请还提供了一种镀锌钢1激光添粉焊接缺陷在线监控方法，可应用于上述在线监控系统。
该镀锌钢1激光添粉焊接缺陷在线监控方法包括以下步骤：
步骤1：将镀锌钢1夹持在激光头3和激光焦点下方，并设置合适的焊接工艺参数；
步骤2：将缺陷检测装置5安装在激光头3上，并将添粉管8、超声波发生器9、光敏传感器11对准激光焦点位置；
步骤3：进行焊接，添粉管8通过添粉控制器7控制对镀锌钢1添加铜金属粉末，打开超声波发生器9对铜粉13进行搅拌；
步骤4：光敏传感器11采集焊接过程中镀锌钢1本体的锌和铁元素等离子体光信号，并传输到工控机12；
步骤5：工控机12对采集得到的锌和铁元素等离子体光信号进行数据处理；具体的，当其中一种元素的光信号强度较大时，则镀锌钢1的气化量和金属蒸汽大，说明气孔缺陷产生机率大，反之当两种元素的光信号强度小，气孔缺陷产生机率小；
步骤6：工控机12根据处理结果，将指令传输到添粉控制器7，进而控制添粉管8的添粉速度：当光信号强度大于第一预设强度时，则增大添粉速度；当光信号强度小于第二预设强度时，则降低添粉速度。
进一步，步骤6中，添粉速度应介于预设添粉速度范围内，该预设添粉速度范围可通过常规实验数据获得。上述设置，通过添粉速度应介于预设添粉速度范围内，并辅助有缺陷检测装置5作为检测依据，对添粉量进行在线调节，可同时在线检测和进行参数调整，以实时消除缺陷，增加了焊接过程中的稳定性。
在上述各实施方式的基础上，步骤2中，还包括：
通过图像采集传感器获取熔池的位置，并将熔池的位置最为作为光敏传感器11的目标位置；缺陷检测装置5上设置支撑架，光敏传感器11安装在支撑架上，利用驱动装置控制支撑架移动直至光敏传感器11移动至目标位置。
具体的，通过驱动装置，可以实现光敏传感器11的自动控制，例如，可以在转轴的位置设置电机，并增设控制器，利用图像采集传感器获取熔池的位置，作为光敏传感器11的目标位置，然后控制控制器控制电机转动角度，实现对第一支撑架的移动控制，即可实现对光敏传感器11的位置自动调节，自动化程度增加。
以上对本申请所提供的镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，包括激光器(4)、激光头(3)以及添粉控制器(7)，其特征在于，还包括缺陷检测装置(5)和工控机(12)；
所述缺陷检测装置(5)安装在所述激光头(3)上并可跟随所述激光头(3)移动，所述缺陷检测装置(5)包括支撑主体和可活动的安装在所述支撑主体上的光敏传感器(11)，所述光敏传感器(11)可移动至与所述激光头(3)的焦点位置对应；
所述光敏传感器(11)和所述添粉控制器(7)均与所述工控机(12)连接，所述工控机(12)用于根据所述光敏传感器(11)的检测信息控制所述添粉控制器(7)的添粉量。
2.根据权利要求1所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，所述支撑主体与所述光敏传感器(11)之间设有第一支撑架，所述第一支撑架包括转动连接的第一架体和第二架体，所述第一架体与所述支撑主体转动连接，所述光敏传感器(11)设置在所述第二架体远离所述第一架体的端部，所述第一架体可沿横向摆动，所述第二架体可沿纵向摆动。
3.根据权利要求2所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，所述支撑主体的侧部设有转动轴，所述第一架体的端部设有可与所述转动轴配合的通孔，所述通孔与所述转动轴之间以及所述第一架体和所述第二架体之间均设有预紧力。
4.根据权利要求1所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，所述支撑主体呈套筒状，所述支撑主体套设在所述激光头(3)的外周部。
5.根据权利要求4所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，所述支撑主体与所述激光头(3)之间为可拆卸连接，并且，所述支撑主体与所述激光头(3)的周向固定连接。
6.根据权利要求5所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，所述支撑主体呈方形筒状，所述激光头(3)的周向设有若干向外侧延伸的螺杆，所述支撑主体可放置在所述螺杆上。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，还包括超声波发生器(9)和超声波换能器(10)，所述超声波换能器(10)安装在所述缺陷检测装置(5)上。
8.根据权利要求7所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控系统，其特征在于，还包括第二支撑架，所述超声波换能器(10)与所述缺陷检测装置(5)通过所述第二支撑架连接。
9.一种镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控方法，应用于如权利要求1至8任意一项所述的在线监控系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将镀锌钢(1)夹持在激光头(3)和激光焦点下方，并设置合适的焊接工艺参数；
步骤2：将缺陷检测装置(5)安装在激光头(3)上，并将添粉管(8)、超声波发生器(9)、光敏传感器(11)对准激光焦点位置；
步骤3：进行焊接，添粉管(8)通过添粉控制器(7)控制对镀锌钢(1)添加铜金属粉末，打开超声波发生器(9)对铜粉(13)进行搅拌；
步骤4：光敏传感器(11)采集焊接过程中镀锌钢(1)本体的锌和铁元素等离子体光信号，并传输到工控机(12)；
步骤5：工控机(12)对采集得到的锌和铁元素等离子体光信号进行数据处理；
步骤6：工控机(12)根据处理结果，将指令传输到添粉控制器(7)，进而控制添粉管(8)的添粉速度：当光信号强度大于第一预设强度时，则增大添粉速度；当光信号强度小于第二预设强度时，则降低添粉速度。
10.根据权利要求9所述的镀锌钢(1)激光添粉焊接缺陷在线监控方法，其特征在于，所述步骤2中，还包括：
通过图像采集传感器获取熔池的位置，并将熔池的位置最为作为所述光敏传感器(11)的目标位置；缺陷检测装置(5)上设置支撑架，光敏传感器(11)安装在所述支撑架上，利用驱动装置控制所述支撑架移动直至所述光敏传感器(11)移动至所述目标位置。
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| CN201910398761.XA Pending CN110000473A (zh) | 2019-05-14 | 2019-05-14 | 一种镀锌钢激光添粉焊接缺陷在线监控系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110000473A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111545902A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-08-18 | 华中科技大学 | 一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1709631A (zh) * | 2005-07-04 | 2005-12-21 | 中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所 | 一种高能束流焊接过程多信号融合监测仪 |
| US20060006156A1 (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-12 | Martin Huonker | Laser welding method and apparatus |
| CN102049613A (zh) * | 2010-11-18 | 2011-05-11 | 湖南大学 | 基于特征元素等离子体光信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法 |
| CN108802165A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-13 | 武汉大学 | 具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统及方法 |
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| CN210010595U (zh) * | 2019-05-14 | 2020-02-04 | 广东工业大学 | 基于等离子体光信号的镀锌钢添粉焊接缺陷在线监控系统 |
-
2019
- 2019-05-14 CN CN201910398761.XA patent/CN110000473A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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| Title |
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