CN115656325A - 基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法及装置，属于焊接质量无损检测领域。采用超声lamb波的三个特征量作为特征量，通过对激光焊标定件进行金相试验及超声lamb波检测，获取熔宽及三个特征量，再根据激光焊待测试样超声lamb波检测结果求取待测试样的熔宽。装置利用工业计算机内置超声控制卡控制超声lamb波激励探头和接收探头发射/接收超声lamb波信号，并对其进行采集和处理，获取当前位置的激光焊接头的内部熔宽。通过内置电机控制器控制驱动X向运动模块，控制超声Lamb波检测模块沿X向进行扫查运动，获取激光焊接头的所有内部熔宽。本发明实现了对搭接激光焊接头内部熔宽的定量检测，确保了搭接激光焊的焊接质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及焊接质量无损检测领域，特别涉及一种基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法及装置，可用于轨道交通焊接生产领域。
背景技术
随着城市轨道客车的发展，对轨道客车的生产质量要求越来越高，搭接激光焊接头在不锈钢车体侧墙生产中应用广泛。然而，在实际激光焊接过程中，由于焊接参数波动、装配精度不够等因素的影响，搭接激光焊接头内部熔宽难以满足轨道客车的生产质量及安全性的要求。因此，建立行之有效的搭接激光焊接头内部熔宽检测方法十分重要。
常用的搭接激光焊接头内部熔宽检测方法主要有两种，一种是焊后的破坏性检验，该质量评估方法虽然能准确获得焊接接头内部熔宽，但是造成材料的巨大浪费、影响生产效率。另一种方法是基于焊接参数的在线评估，然而，由于激光焊过程受多种工艺参数的耦合影响，该种评估方式难以精确地反应焊接接头内部熔宽。因此如何快速、准确、高效地实现搭接激光焊接头内部熔宽的检验、建立有效的焊接质量检测装置和方法十分必要，急需解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法及装置，解决了现有技术存在的技术难题，实现了搭接激光焊接头内部熔宽快速、准确、高效检测，确保了搭接激光焊的焊接质量要求。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法，采用超声lamb波的三个特征量，即最大幅值、波形系数、峭度系数作为特征量，通过对激光焊标定件进行金相试验及超声lamb波检测，获取熔宽及最大幅值、波形系数、峭度系数三个特征量，再根据激光焊待测试样超声lamb波检测结果的三个特征量——最大幅值、波形系数和峭度系数求取待测试样的熔宽；包括如下步骤：
步骤1、设计Lamb波激励探头和接收探头的检测参数：
步骤2、对激光焊接头的内部熔宽进行检测：
2.1、调整超声lamb波激励探头和接收探头，使其处于最佳的激励入射或接收角度；
2.2、调整超声Lamb波激励探头和接收探头之间的Y向间距，使接收到的超声lamb波处于最大幅值；
2.3、工业计算机控制超声lamb波激励探头和接收探头发射或接收超声lamb波信号，并对其进行采集和处理，获取当前位置的激光焊接头的内部熔宽，具体是：
2.31、获取激光焊标定件训练数据和训练集：
制备不同熔宽的激光焊标定件，通过金相试验测量标定件熔宽W1W2W3…Wn，获得标定件的内部熔宽数组
B标定＝[W1 W2 W3 … Wn] (1)
采用超声Lamb波激励探头在激光焊标定件的上层板激励出Lamb波，Lamb波在上层板中传播，超声Lamb接收探头接收超声Lamb波，工业计算机对接收到的超声Lamb波数据信息进行提取，获得超声Lamb波信号的数据个数N及信号中各点的幅值xi，提取标定件超声lamb波的三个特征量，其计算公式为：
最大幅值A标定＝max(xi) (2)
其中，
表示标定件中Lamb波信号均值
其计算方法为：
将标定件超声lamb波的三个特征量——最大幅值、波形系数、峭度系数-组成特征向量组
D标定＝[A标定 F标定 H标定] (5)
利用公式D标定P＝B标定,计算Lamb波信号最大幅值特征系数P1、波形系数特征系数P2、峭度系数特征系数P3
P＝[P1 P2 P3] (6)
2.32、测量激光焊待测试样的熔宽；
2.4业计算机通过电机控制器控制驱动X向运动模块，控制超声Lamb波激励探头和接收探头沿X向进行扫查运动，获取激光焊接头的所有内部熔宽，并形成超声C扫描图像。
步骤2.32所述的测量激光焊待测试样的熔宽，具体是：
采用超声Lamb波激励探头在待测试样的上层板激励出Lamb波，Lamb波在上层板中传播，超声Lamb接收探头接收超声Lamb波，工业计算机对接收到的超声Lamb波数据信息进行提取，获得超声Lamb波信号的数据个数N及信号中各点的幅值xi，并根据式(2)-(4)求取待测信号的超声lamb的三个特征量——最大幅值、波形系数和峭度系数；
B待测＝[W1 W2 W3 … Wn] (7)
将工业计算机获得的待测件的特征量最大幅值、波形系数、峭度系数组成特征向量组
D待测＝[A待测 F待测 H待测] (8)
利用公式B待测＝D待测P，计算出待测件内部熔宽。
步骤1所述的设计Lamb波激励探头和接收探头的检测参数，具体是：
1.1、采用数值模拟方法获得激光焊接头母材中超声Lamb波的相速度及群速度频散曲线；
1.2、根据超声lamb波的相速度频散曲线，采用数值模拟方法获得不同激励中心频率对Lamb波模式和波形的影响，确定最佳的激励中心频率；
1.3、根据超声lamb波的群速度频散曲线，采用数值模拟方法获得不同激励入射或接收角度对Lamb波模式和波形的影响，确定最佳的激励入射/接收角度。
本发明的另一目的在于提供一种基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测装置，包含工业计算机1、超声lamb检测模块3和运动控制模块；
所述工业计算机1内置超声控制卡和电机驱动器，用于对超声lamb波检测模块3进行运动控制及超声lamb波数据采集、信号处理、数据存储及图形化显示；
所述超声lamb波检测模块3包括超声lamb波激励探头31和超声lamb波接收探头32；所述超声lamb波激励探头31和超声lamb波接收探头32为可变角探头，能够调节振动晶片的角度，从而调节激励入射或接收角度；
所述运动控制模块包括X向运动模块5和Y向调节模块6，所述X向运动模块5包括轴承组51、皮带52、导轨53、电机54、支撑底座55，用于带动超声lamb波检测模块3沿着待测工件表面同向运动，完成X向扫查；所述Y向调节模块6包括Y向横梁61、滑轨62、滑块63、内置悬浮支架64、探头固定座65，用于控制超声lamb波激励探头和超声lamb波接收探头在工件表面进行相向或背向运动，以调节超声lamb波激励探头和超声lamb波接收探头之间的距离，同时，其内置悬浮支架可以实现在不同曲率工件表面的柔性自适。
本发明的有益效果在于：针对搭接激光焊接头焊接质量要求，本发明提供了基于Lamb波的搭接激光焊接头内部熔宽的检测方法，设计了基于Lamb波的搭接激光焊搭接接头内部熔宽的扫描装置，可沿焊缝长度方向进行连续检测，具有较高的效率；该方法可灵活调节声波的入射角度、探头跨距，以适应不同检测对象对导波激励条件的需求，具有较好的适用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1至图5为本发明的基于Lamb波搭接激光焊接头内部熔宽的检测方法原理图；
图6为本发明的基于Lamb波搭接激光焊接头内部熔宽检测方法的流程图；
图7为本发明的基于Lamb波搭接激光焊接头内部熔宽检测装置的立体结构示意图；
图8为本发明的基于Lamb波搭接激光焊接头内部熔宽检测装置的俯视结构示意图；
图9为本发明的基于Lamb波搭接激光焊接头内部熔宽检测装置的侧视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，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做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。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图9所示，本发明的基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法采用超声lamb波的三个特征量-最大幅值、波形系数、峭度系数-作为特征量，通过对激光焊标定件进行金相试验及超声lamb波检测，获取熔宽及三个特征量-最大幅值、波形系数、峭度系数，再根据激光焊待测试样超声lamb波检测结果的三个特征量-最大幅值、波形系数和峭度系数求取待测试样的熔宽。同时本发明提供了一种基于Lamb波的搭接激光焊接头内部熔宽检测装置：利用工业计算机内置超声控制卡控制超声lamb波激励探头和接收探头发射/接收超声lamb波信号，并对其进行采集和处理，获取当前位置的激光焊接头的内部熔宽。通过内置电机控制器控制驱动X向运动模块，控制超声Lamb波激励探头和接收探头沿X向进行扫查运动，获取激光焊接头的所有内部熔宽。本发明实现了对搭接激光焊接头内部熔宽的定量检测，确保了搭接激光焊的焊接质量要求。
参见图1至图6所示，本发明的基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法，包括如下步骤：
步骤一、设计Lamb波激励探头和接收探头的检测参数，包括以下子步骤：
1.1、采用数值模拟方法获得激光焊接头母材中超声Lamb波的相速度及群速度频散曲线；
1.2、根据超声lamb波的相速度频散曲线，采用数值模拟方法获得不同激励中心频率对Lamb波模式和波形的影响，确定最佳的激励中心频率；
1.3、根据超声lamb波的群速度频散曲线，采用数值模拟方法获得不同激励入射/接收角度对Lamb波模式和波形的影响，确定最佳的激励入射/接收角度。
步骤二、对激光焊接头的内部熔宽进行检测：
2.1、调整超声lamb波激励探头和接收探头，使其处于最佳的激励入射/接收角度。
2.2、调整超声Lamb波激励探头和接收探头之间的Y向间距，使接收到的超声lamb波处于最大幅值。
2.3、工业计算机控制超声lamb波激励探头和接收探头发射/接收超声lamb波信号，并对其进行采集和处理，获取当前位置的激光焊接头的内部熔宽：
2.31、获取激光焊标定件训练数据和训练集
制备不同熔宽的激光焊标定件，通过金相试验测量标定件熔宽W1 W2 W3 … Wn，获得标定件的内部熔宽数组
B标定＝[W1 W2 W3 … Wn] (1)
采用超声Lamb波激励探头在激光焊标定件的上层板激励出Lamb波，Lamb波在上层板中传播，超声Lamb接收探头接收超声Lamb波，工业计算机对接收到的超声Lamb波数据信息进行提取，获得超声Lamb波信号的数据个数N及信号中各点的幅值xi，提取标定件超声lamb波的三个特征量，其计算公式为：
最大幅值A标定＝max(xi) (2)
其中，
表示标定件中Lamb波信号均值
其计算方法为：
将标定件超声lamb波的三个特征量-最大幅值、波形系数、峭度系数-组成特征向量组
D标定＝[A标定 F标定 H标定] (5)
利用公式D标定P＝B标定,计算Lamb波信号最大幅值特征系数P1、波形系数特征系数P2、峭度系数特征系数P3
P＝[P1 P2 P3] (6)
2.32、测量激光焊待测试样的熔宽
采用超声Lamb波激励探头在待测试样的上层板激励出Lamb波，Lamb波在上层板中传播，超声Lamb波接收探头接收超声Lamb波，工业计算机对接收到的超声Lamb波数据信息进行提取，获得超声Lamb波信号的数据个数N及信号中各点的幅值xi，并根据式(2)-(4)求取待测信号的超声lamb的三个特征量-最大幅值、波形系数和峭度系数。
B待测＝[W1 W2 W3 … Wn] (7)
将工业计算机获得的待测件的特征量最大幅值、波形系数、峭度系数组成特征向量组
D待测＝[A待测 F待测 H待测] (8)利用公式B待测＝D待测P，计算出待测件内部熔宽。本发明中该具体计算公式为:
其中，K1为根据测定结果标定的修正系数。
2.4、工业计算机通过电机控制器控制驱动X向运动模块，控制超声Lamb波激励探头和接收探头沿X向进行扫查运动，获取激光焊接头的所有内部熔宽，并形成超声C扫描图像。
参见图7至图9所示，本发明的基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测装置，包含工业计算机1、待检测搭接激光焊试件2、超声lamb波检测模块3、支角4、X向运动控制模块5、Y向调节模块6；其中，工业计算机1通过数据线与超声lamb波检测模块3及X向运动控制模块5相连接，X向运动控制模块5与支角4相连接并放置于待检测搭接激光焊试件2表面，Y向调节模块6通过滑块连接在X向运动控制模块5。
所述工业计算机1内置超声控制卡和电机驱动器，用于对超声lamb波检测模块3进行运动控制及超声lamb波数据采集、信号处理、数据存储及图形化显示；
所述超声lamb波检测模块3包括超声lamb波激励探头31和超声lamb波接收探头32；所述超声lamb波激励探头31和超声lamb波接收探头32为可变角探头，分别安装在与内置悬浮支架64相连的探头固定座65上，超声lamb波激励探头与接收探头能够调节振动晶片的角度，从而调节激励入射/接收角度；
所述运动控制模块包括X向运动模块5和Y向调节模块6，所述X向运动模块5包括轴承组51、皮带52、导轨53、电机54、支撑底座55，用于带动超声lamb波检测模块3沿着待测工件表面同向运动，完成X向扫查；其中，电机54通过皮带52将电机的旋转运动变为沿着支撑底座55上的导轨53的X向前后直线运动，皮带52固定在轴承组51的轴承上。所述Y向调节模块6包括Y向横梁61、滑轨62、滑块63、内置悬浮支架64、探头固定座65，用于控制超声lamb波激励探头31和超声lamb波接收探头32在工件表面进行相向或背向运动，以调节超声lamb波激励探头31和超声lamb波接收探头32之间的距离，同时，其内置悬浮支架64可以实现在不同曲率工件表面的柔性自适。其中，滑轨62固定在Y向横梁61上，滑块63安装在滑轨62上并与内置悬浮支架64相连，探头固定座65连接在内置悬浮支架64上。
实施例：
本实施例对轨道客车车体采用的SUS301L奥氏体不锈钢板材搭接激光焊接头的内部熔宽进行检测，板材规格100mm×30mm，板厚组合2mm+2mm，Lamb波激励探头的中心频率为2.5MHz,激励入射角度为30°，Lamb波激励探头与接收探头间距为100mm。利用该检测方法及装置对SUS301L不锈钢搭接激光焊接头的内部熔宽进行检测并加以显示存储。通过金相试验测量了SUS301L不锈钢搭接激光焊接头焊接接头内部实际熔宽，并进行对比，结果表明利用该种装置及方法检测的激光焊接头内部熔宽结果与测量实际熔宽最大误差不超过0.1mm。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法，其特征在于：采用超声lamb波的三个特征量，即最大幅值、波形系数、峭度系数作为特征量，通过对激光焊标定件进行金相试验及超声lamb波检测，获取熔宽及最大幅值、波形系数、峭度系数三个特征量，再根据激光焊待测试样超声lamb波检测结果的三个特征量——最大幅值、波形系数和峭度系数求取待测试样的熔宽；包括如下步骤：
步骤1、设计Lamb波激励探头和接收探头的检测参数：
步骤2、对激光焊接头的内部熔宽进行检测：
2.1、调整超声lamb波激励探头和接收探头，使其处于最佳的激励入射或接收角度；
2.2、调整超声Lamb波激励探头和接收探头之间的Y向间距，使接收到的超声lamb波处于最大幅值；
2.3、工业计算机控制超声lamb波激励探头和接收探头发射或接收超声lamb波信号，并对其进行采集和处理，获取当前位置的激光焊接头的内部熔宽，具体是：
2.31、获取激光焊标定件训练数据和训练集：
制备不同熔宽的激光焊标定件，通过金相试验测量标定件熔宽W1W2W3…Wn，获得标定件的内部熔宽数组
B标定＝[W1 W2 W3…Wn] (1)
采用超声Lamb波激励探头在激光焊标定件的上层板激励出Lamb波，Lamb波在上层板中传播，超声Lamb接收探头接收超声Lamb波，工业计算机对接收到的超声Lamb波数据信息进行提取，获得超声Lamb波信号的数据个数N及信号中各点的幅值xi，提取标定件超声lamb波的三个特征量，其计算公式为：
最大幅值A标定＝max(xi) (2)
波形系数
峭度系数
其中，
表示标定件中Lamb波信号均值
其计算方法为：
将标定件超声lamb波的三个特征量——最大幅值、波形系数、峭度系数-组成特征向量组
D标定＝[A标定 F标定 H标定] (5)
利用公式D标定P＝B标定,计算Lamb波信号最大幅值特征系数P1、波形系数特征系数P2、峭度系数特征系数P3
P＝[P1 P2 P3 ] (6)
2.32、测量激光焊待测试样的熔宽；
2.4工业计算机通过电机控制器控制驱动X向运动模块，控制超声Lamb波激励探头和接收探头沿X向进行扫查运动，获取激光焊接头的所有内部熔宽，并形成超声C扫描图像。
2.根据权利要求1所述的基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法，其特征在于：步骤2.32所述的测量激光焊待测试样的熔宽，具体是：
采用超声Lamb波激励探头在待测试样的上层板激励出Lamb波，Lamb波在上层板中传播，超声Lamb接收探头接收超声Lamb波，工业计算机对接收到的超声Lamb波数据信息进行提取，获得超声Lamb波信号的数据个数N及信号中各点的幅值xi，并根据式(2)-(4)求取待测信号的超声lamb的三个特征量——最大幅值、波形系数和峭度系数；
B待测＝[W1 W2 W3…Wn] (7)
将工业计算机获得的待测件的特征量最大幅值、波形系数、峭度系数组成特征向量组
D待测＝[A待测 F待测 H待测] (8)
利用公式B待测＝D待测P，计算出待测件内部熔宽。
3.根据权利要求1所述的基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测方法，其特征在于：步骤1所述的设计Lamb波激励探头和接收探头的检测参数，具体是：
1.1、采用数值模拟方法获得激光焊接头母材中超声Lamb波的相速度及群速度频散曲线；
1.2、根据超声lamb波的相速度频散曲线，采用数值模拟方法获得不同激励中心频率对Lamb波模式和波形的影响，确定最佳的激励中心频率；
1.3、根据超声lamb波的群速度频散曲线，采用数值模拟方法获得不同激励入射或接收角度对Lamb波模式和波形的影响，确定最佳的激励入射/接收角度。
4.一种基于Lamb波的搭接激光焊接头的内部熔宽检测装置，其特征在于：包含工业计算机(1)、超声lamb检测模块(3)和运动控制模块；
所述工业计算机(1)内置超声控制卡和电机驱动器，用于对超声lamb波检测模块(3)进行运动控制及超声lamb波数据采集、信号处理、数据存储及图形化显示；
所述超声lamb波检测模块(3)包括超声lamb波激励探头(31)和超声lamb波接收探头(32)；所述超声lamb波激励探头(31)和超声lamb波接收探头(32)为可变角探头，能够调节振动晶片的角度，从而调节激励入射或接收角度；
所述运动控制模块包括X向运动模块(5)和Y向调节模块(6)，所述X向运动模块(5)包括轴承组(51)、皮带(52)、导轨(53)、电机(54)、支撑底座(55)，用于带动超声lamb波检测模块(3)沿着待测工件表面同向运动，完成X向扫查；所述Y向调节模块(6)包括Y向横梁(61)、滑轨(62)、滑块(63)、内置悬浮支架(64)、探头固定座(65)，用于控制超声lamb波激励探头和超声lamb波接收探头在工件表面进行相向或背向运动，以调节超声lamb波激励探头和超声lamb波接收探头之间的距离，同时，其内置悬浮支架可以实现在不同曲率工件表面的柔性自适。
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