CN114505585A - 一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于特征线状谱识别激光‑电弧复合焊是否熔透的方法，属于焊接过程监测技术领域。本发明包括以下步骤：在复合焊接过程中，基于激光致金属等离子体富集于激光致小孔口、且金属等离子体辐射的特征线状谱处于可见光区域的特征，收集激光致金属等离子体辐射的特征线状谱信号；对收集的谱线信号进行有选择性的带通过滤，获得带通信号；使用光电探测器对过滤后的带通信号进行采集；对采集到的带通信号进行放大与IV转换，获得激光致金属等离子体的特征信号；使用信号处理系统分析该信号，若特征信号满足熔透焊接条件则输出焊接熔透信号，否则输出焊接未熔透信号。实施本发明为激光‑电弧复合焊接熔透状态的在线监测提供了新途径。
Description
技术领域
本发明属于焊接过程监测技术领域，特别涉及一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法。
背景技术
近年来，激光技术快速发展，其应用领域越来越广，尤其在焊接领域得到了广泛的应用。激光焊接具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小、加工柔性好等独特优势。但激光焊接的桥连性较差，且在焊接时需要较高的装配精度，故而制约了激光焊接的发展。70年代末期，英国学者W.M.Steen提出了激光电弧复合焊接的思想，这种焊接方式将激光与电弧的优点结合起来，克服了单一热源存在的不足，提高了能量利用率，实现了1+1>2的效果。但激光电弧复合焊接在工业应用领域内还存在一定的不足，其最主要的原因是复合焊接过程复杂，焊缝的焊接状态无法实时监测，从而无法保证焊接质量的稳定。
激光电弧复合焊接时，连接处的金属在激光于电弧的共同作用下发生熔化形成熔池，并利用熔池将待焊工件焊接在一起。现有的监控方法有X射线、高速摄像机等。X射线监测具有速度快的优点，但其设备成本高，且需要专门培训才能操作；使用高速摄像机是在焊接过程中对熔池、羽辉和焊缝进行拍摄，然后使用图像处理来确定是否熔透。这种方法需要价格昂贵的高速摄像机；此外使用这种方法仅仅从表面反应焊接过程，往往不能反应焊缝内部的实际情况，这很难判断焊缝是否熔透。
在激光电弧复合焊接过程中，激光致小孔内喷发的金属蒸汽在电弧等离子体作用下将电离形成等离子体，并且该部分金属等离子体富集在小孔口区域。深熔小孔口是否贯穿(焊缝是否熔透)与孔内喷发的金属蒸汽密切相关。金属等离子体与电弧等离子体会辐射出各自的特征线状谱。因此，对复合焊接过程中金属等离子体辐射的特征线状谱进行原位监测，根据金属等离子体辐射特征线状谱的光强变化特征，便能够获得复合焊接时焊缝是否熔透的信息。本发明正是基于此，提出了一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法。
发明内容
本发明的目的在于，本发明提供的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，包括以下步骤：
基于激光致金属等离子体富集于激光致小孔口、且金属等离子体辐射的特征线状谱处于可见光区域的特征，收集激光致金属等离子体辐射的特征线状谱信号；对收集的谱线信号进行有选择性的带通过滤，获得带通信号。以去除谱线信号中的无用部分，获得想要的波段。
使用光电探测器对过滤后的带通信号进行采集；对采集到的带通信号进行放大与IV转换，获得激光致金属等离子体的特征信号；使用信号处理系统分析该特征信号；若焊接特征信号幅值下降为该焊接参数下特征信号幅值的1/2以下时，则为焊接熔透，否则输出焊接未熔透信号。
所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，其特征在于：激光器光纤激光器、碟片激光器、半导体激光、绿光激光器、蓝光激光器或Nd-YAG激光器；电弧为非熔化极电弧(TIG电弧或者等离子体弧)或者熔化极电弧(MIG或者MAG)；电弧电源为直流或者交流或者脉冲或者变极性电源；该复合焊接方法可以另外附加填充焊丝；该复合方式使用旁轴复合或同轴复合。
所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，其特征在于：所述窄带滤波片中心波长为361nm或者531nm，带宽为正负5nm，OD值大于4。
所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，其特征在于：所述硅光电探测器的使用范围为200nm～1100nm，响应时间为2μs；所述铟镓砷探测器的使用范围为800nm～1700nm，响应时间为0.1μs。光电探测器对准激光致深熔小孔口上方。
所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，其特征在于：所述数据采集卡的采样频率为100Hz～100KHz。收集金属等离子体和电弧等离子体辐射的特征线状谱的步骤包括：所述聚焦镜使用平凸透镜，平凸透镜焦长大于100mm。所述平凸透镜位于光电探测器与焊接位置的中间，所述光电探测器与所述焊接位置的距离为所述聚焦镜焦距的四倍。
所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，其特征在于：IV转换使用跨阻放大器，其偏置电流达到20fA，放大电路使用仪表放大器，失调电压是20μV。
所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊中是否熔透状态的方法，其特征在于：信号处理系统内部集成有低通滤波器，其失调电压是0.4μV。
本发明提出了一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法。利用响应时间在微秒级的光电探测器与低带宽窄带滤波片相结合的方式有选择性的提取焊接过程中激光致金属等离子体辐射的特征线状谱信号，从而监测复合焊接过程。根据复合焊接过程中特征线状谱信号强度的变化对复合焊接是否熔透进行监测。本方法设计合理，探测精度高，响应时间快且成本低，不仅在线识别的可靠性，而且为复合焊接在线识别监测提供了新的方法。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图中，1.激光器，2.电弧焊炬，3.激光焊接头，4.待焊工件，5.平凸透镜，6.窄带滤波片，7.光电探测器，8.数据采集卡，9.信号处理系统，10.电弧焊机。
图3为激光功率为400W时的焊接监测信号
图4为激光功率为400W时的焊缝背部形貌
图5为激光功率为1000W时的焊接监测信号
图6为激光功率为1000W时的焊缝背部形貌
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
参见图1及图2所示，本发明使用IPG YLS 3kW光纤激光器1与激光焊接头3组成激光加工系统，与YC-315TX直流TIG焊机10和电弧焊炬2进行复合焊接1.2mm厚的316不锈钢板。当激光电弧复合焊接开始时，激光与电弧共同作用在待焊工件4，产生一个共同的熔池。同时，激光致金属等离子体和电弧等离子体会辐射出特征线状谱。激光致金属等离子体辐射的谱线区间集中在300nm-700nm，电弧等离子体辐射的区间集中在700nm-900nm。本发明首先对这些辐射出来的信号使用平凸透镜5进行收集，对收集到的信号使用带通滤波片6进行有选择性的带通过滤，获得带通信号，以去除辐射信号中的无用部分。然后将带通过滤的信号耦合进硅光电探测器7，经过数据采集卡8放大与IV转换后获得焊接特征信号。对于获得的焊接特征信号，传输进入信号处理系统9分析对比是否满足熔透焊接的条件。当激光功率为400W，焊接速度为1m/min，得到如图3所示的监测信号与图4所示的焊缝背部形貌，观察图4发现此时焊缝未熔透。当激光功率为1000W，焊接速度为1m/min，得到如图5所示的监测信号与图6所示的焊缝背部形貌，观察图6发现此时焊缝熔透。焊缝熔透时的信号幅值远小于焊缝未熔透时候的信号幅值。信号处理系统输出焊缝熔透。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于,包括以下步骤：
基于激光致金属等离子体富集于激光致小孔口、且金属等离子体辐射的特征线状谱处于可见光区域的特征，收集激光致金属等离子体辐射的特征线状谱信号；对收集的谱线信号进行有选择性的带通过滤，获得带通信号；使用光电探测器对过滤后的带通信号进行采集；对采集到的带通信号进行放大与IV转换，获得激光致金属等离子体的特征信号；使用信号处理系统分析该特征信号；若焊接特征信号幅值下降为该焊接参数下特征信号幅值的1/2以下，则为焊接熔透，否则输出焊接未熔透信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：所述的激光器类型为光纤激光器、碟片激光器、半导体激光、绿光激光器、蓝光激光器或Nd-YAG激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：所述的电弧类型为TIG电弧、MIG电弧或等离子弧。
4.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：所述激光束与电弧采用旁轴复合或同轴复合的方式。
5.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：所述带通过滤使用窄带滤波片，中心波段位于100nm～700nm之间，带宽在1nm～20nm之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：收集金属等离子体和电弧发出的线状谱的步骤包括：
使用聚焦镜将焊接过程中的线状谱耦合进光电探测器，以获得焊接特征信号。光电探测器对准激光致小孔口上方，距离板面的高度在0.5mm～10mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：所述光电探测器使用硅光电探测器或者铟镓砷探测器；使用数据采集卡对所述采集信号进行放大与IV转换。
8.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：IV转换使用跨阻放大器，其偏置电流达到20fA，放大电路使用仪表放大器，失调电压是20μV。
9.根据权利要求1所述的一种基于特征线状谱识别激光-电弧复合焊是否熔透的方法，其特征在于：信号处理系统内部集成有低通滤波器，其失调电压是0.4μV。
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