CN116213883A - 深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接质量监控系统，通过环形激光对焊接之前焊缝拼接间隙、错边量等状况、焊接过程中以及焊接后焊缝形貌进行三维扫描，以及在焊接过程中实时采集焊接的电流、电压信号数据、电弧声信号数据、焊接电弧形貌及熔池图像数据，对以上所采集的数据进行综合分析实现对焊接质量的实时监控。本发明通过多个维度的数据采集实现对深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接质量的检测，大大提高了深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接质量检测的效率和准确度。

Description

深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统。

背景技术

作为一种高效的焊接技术，深熔小孔非熔化惰性气体保护焊(K-TIG)利用大电流产生的电弧压力在熔池中形成小孔，可以在不开坡口的条件下焊接较厚的板材，实现对焊、单面焊双面成形、一次熔透，并且无需去除背根和补焊，大大简化了焊接过程；同时，由于不需要填充焊丝和开焊接坡口，与传统的钨极惰性气体保护焊(TIG)相比，具有效率高、成本低的特点，具有极高的发展潜力与应用空间。

由于深熔K-TIG焊主要针对于大厚度工件的单程焊双面成形，因此确保焊接质量尤为重要。目前，对K-TIG焊接自动化的研究基本上停留在焊枪的运动轨迹的控制上；对于焊接质量的检测，通常的方法是在焊接后切割工件，通过分析焊缝横截面的熔透程度判断质量好坏，从而调整焊接参数，该方法步骤复杂，大大降低了焊接效率。因此，实现焊接质量的在线检测具有重要的意义。而相较于单纯的平板工件，圆筒形工件在实际工程中运用的更加广泛，需要研发针对这种工件的焊接监控装置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，用于解决现有技术中出现的以上技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，包括：焊缝形貌环形激光三维扫描模块，用于分别在深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接之前的试件拼接间隙与错边量状况、焊接过程中以及焊接后对焊接件目标焊缝形貌的三维扫描，以采集对应的焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝形貌数据；焊接电信号采集模块，用于在焊接过程中实时采集焊接的电流信号、焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号数据；焊接电弧声信号采集模块，用于在焊接过程中实时采集焊枪产生的电弧声信号数据；焊接电弧形貌与熔池图像采集模块，用于在焊接过程中实时采集所述焊接件正面的熔池图像数据以及焊接过程电弧形貌图像数据；焊接质量监控系统，连接所述焊接形貌环形激光扫描模块、焊接电信号采集模块、焊接电弧声信号采集模块以及焊接电弧形貌与熔池图像采集模块，用于基于采集焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据、焊接后焊缝形貌数据、电流以及电压信号数据、电弧声信号数据、所述焊接件正面的熔池图像数据以及焊接过程中电弧形貌图像数据对焊接质量进校综合评估，以获得对应所述目标焊缝的深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量。

于本发明的一实施例中，所述焊缝形貌环形激光扫描模块包括：安装于重型三脚架上的前后运动直线导轨、驱动电机、以及安装在直线导轨上的焊缝形貌环形激光三维扫描组件；所述焊缝形貌环形激光三维扫描组件包括：沿同一光轴排列、集成于透明玻璃管内的锥面镜、激光准直扩束镜组、激光器以及CCD相机；其中，所述锥面镜用于将由激光器发射的经过激光准直扩束镜组扩束的激光转换为环形激光，并由所述CCD相机采集对应前后扫描的目标焊缝的焊接前试件拼接状况扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝轮廓数据。

于本发明的一实施例中，所述质量监控装置包括：焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块，用于基于焊接前拼接焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝三维轮廓数据，构建对应的焊缝的三维模型获得焊接前、焊接过程中以及焊接后的焊缝形貌数据，以获得环形激光扫描检测结果；焊接电流与电压检测模块，用于基于采集的电流信号、焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号数据进行FFT分析，并基于特定频率段的信号强度获得焊接电流以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号频谱检测结果；焊接电弧声信号检测模块，通过对采集的电弧声信号数据进行滤波以及频谱分析，通过特定频率段的信号强度获得电弧声信号检测结果；焊接熔池及焊接电弧形貌图像检测模块，用于基于采集的焊接件正面的熔池图像数据获得熔池的尺寸形状参数以及相对于焊缝中心的位置，获得熔池正面图像检测结果；提取采集到的焊接过程电弧形貌图像数据，分析电弧形貌图像特征的异常，预测焊接过程中产生的质量问题获得焊接电弧形貌图像检测结果；焊接质量分析模块，连接所述焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块、焊接电流、与电压检测模块、电弧声信号检测模块、焊接熔池及电弧形貌图像检测模块，用于融合环形激光扫描检测结果、焊接电流以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号频谱检测结果、电弧声信号检测结果、熔池正面图像检测结果及焊接电弧形貌图像检测结果，对焊接质量进行综合分析与评价，以获得深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量检测结果。

于本发明的一实施例中，所述焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块包括：焊接前焊缝检测单元，用于根据焊接前焊缝扫描数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接前的缝宽、错边量以及中心轨迹；焊接中焊缝检测单元，用于根据实时采集的焊接中焊缝扫描数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接过程中的缝宽、错边量、中心轨迹的变形与变化、背面熔宽、熔高等；焊接后焊缝检测单元，用于根据采集的焊缝双侧轮廓数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接后的的熔宽、熔高等焊缝形貌参数；焊缝形貌变化检测单元，连接所述焊接前焊缝检测单元、焊接中焊缝检测单元以及焊接后焊缝检测单元，用于对目标焊缝在焊接前的缝宽、错边量以及中心轨迹、在焊接过程中的缝宽、错边量、中心轨迹、熔宽以及熔高以及目标焊缝在焊接后的熔宽以及熔高判断焊缝形貌变化情况。

于本发明的一实施例中，当所述焊接件为筒状中空结构时，环形激光三维扫描模块通过安装在重载三角架上的运动模块进入筒状中空结构内对焊缝进行三维扫描；其中，所述重载三角支架及运动机构包括：安装于重载三脚架上的直线运动导轨、驱动电机、以及安装在运动导轨上的环形激光三维扫描模块，直线运动导轨上安装有高精度光栅位移传感器；所述环形激光三维扫描模块包括：沿同一光轴排列、集成于透明玻璃管内的锥面镜、激光准直扩束镜组、激光器以及相机；环形激光轮廓可以对筒状中空结构内轮廓进行成像。环形激光三维扫描模块在重载三脚架的驱动下对试件焊缝进行扫描，结合高精度光栅位移传感器所采集的数据，构建焊缝形貌的三维数据。

于本发明的一实施例中，所述焊接电弧形貌与熔池图像采集模块包括：设置于焊接件的目标焊缝正面的高速摄像装置，用于在焊接过程中实时采集所述焊接件正面的熔池及电弧形貌图像数据。

于本发明的一实施例中，所述焊接电弧声信号采集模块通过霍尔传感器，用于将焊接的大电流信号转换为可适应于数据采集卡采集的电流信号数据，同时采集焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号。

于本发明的一实施例中，利用麦克风采集所述电弧声信号，分析焊接过程中声信号的异常。

于本发明的一实施例中，所述焊缝形貌环形激光三维扫描模块通过前后运动驱动装置驱动相应的前后移动；所述前后移动驱动装置为直线运动导轨、驱动电机、高精度光栅位移传感器。

如上所述，本发明的一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，具有以下有益效果：本发明通过对焊接之前、焊接过程中以及焊接后焊缝形貌的环形形激光三维扫描数据，以及在焊接过程中实时采集焊枪电流以及钨极与焊接材料之间的电压信号数据、电弧声信号数据、焊接件熔池正面及焊接过程电弧形貌图像数据，融合以上所采集数据进行综合分析实现对焊接质量的在线监控。本发明通过多个维度的数据采集实现对焊接质量的在线检测，以提高焊接质量检测的效率和准确度。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统的结构示意图。

图2显示为本发明一实施例中的焊缝形貌环形激光三维扫描装置的结构示意图。

图3显示为本发明一实施例中熔池电弧图像监控结果示意图。

图4显示为本发明一实施例中的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统的结构示意图。

图5显示为本发明一实施例中的焊接质量监控过程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

本发明实施例中提供一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，通过在焊接之前、焊接过程中以及焊接后利用环形激光对焊缝形貌进行在线三维扫描，以及在焊接过程中实时采集焊枪的电流以及电压信号数据、电弧声信号数据、焊接件熔池正面及焊接过程电弧形貌图像数据，融合以上数据进行综合分析实现对焊接质量的在线监控。本发明通过多个维度的数据采集实现对焊接质量的在线检测，大大提高了焊接质量检测的效率以及准确度。

下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。

如图1所示，展示本发明实施例中的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统的结构示意图。

本申请的焊接对象为一焊接件，该焊接件的结构可以为任一结构，例如为板材结构或是筒状结构；并且采用一焊枪对焊接件的目标焊缝进行深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接；

所述系统包括：

焊缝形貌环形激光三维扫描模块1，设于所述目标焊缝附近，需保证其可扫描到该目标焊缝；环形激光扫描模块用于分别在采用焊枪对焊接件的目标焊缝进行深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接之前分别在深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接之前的试件拼接间隙与错边量状况、焊接过程中以及焊接后对所述焊接件目标焊缝形貌的三维扫描，以采集对应的焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝形貌数据；

焊接电信号采集模块2，设于焊枪附近位置，用于在焊接过程中实时采集与其连接的焊枪的电流信号以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号数据；

焊接电弧声信号采集模块3，设于焊枪附近位置，用于在焊接过程中实时采集焊枪产生的电弧声信号数据；

熔池正面及焊接过程电弧形貌图像监控模块4，设于用于焊接件的目标焊缝的正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像，在焊接过程中实时采集所述焊接件正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像数据；

焊接质量监控系统5，连接所述焊缝形貌环形激光三维扫描模块1、焊接电信号采集模块2、焊接电弧声信号采集模块3、焊接电弧形貌与熔池图像采集模块4，用于融合所采集焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据、焊接后焊缝轮廓数据、电流电压信号数据、电弧声信号数据、所述焊接件正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像数据进行焊接质量检测，以获得对应所述目标焊缝的深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量检测结果。

在一实施例中，所述焊缝形貌环形激光三维扫描装置包括：如图2所示，重载三角支架108、前后移动直线导轨102、驱动电机101、以及安装在运动导轨102上的焊缝形貌环形激光三维扫描模块100，在直线运动导轨上安装高精度光栅位移传感器；所述焊缝形貌环形激光三维扫描模块包括：沿同一光轴排列、集成于透明玻璃管107内的锥面镜103、激光准直扩束镜组104、激光器105以及CCD相机106；环形激光轮廓可以对筒状中空结构内轮廓进行成像。

其中，所述锥面镜103用于将由激光器105发射的经过激光准直扩束镜组104扩束的激光转换为环形激光，并由所述CCD成像装置106采集对应前后扫描的目标焊缝的焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝轮廓数据。

在一优选实施例中，所述焊缝形貌环形激光三维扫描模块通过前后运动驱动装置驱动相应的前后移动；其中所述前后移动运动装置涵盖直线运动导轨、驱动电机及高精度光栅位移传感器等。

在一实施例中，针对圆筒形工件的扫描问题，利用重载三脚支架安装运动平台和焊缝形貌环形激光三维扫描装置，方便进入筒形工件内，与生成的环形激光相配合进行焊缝扫描。

在一实施例中，所述质量监控装置包括：

焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块，用于基于焊接前拼接焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝三维轮廓数据，构建对应的焊缝的三维模型获得焊接前、焊接过程中以及焊接后的焊缝形貌数据，以获得环形激光扫描检测结果；具体的，通过环形激光扫描得到的点云数据构建出焊缝的三维模型，从而得到焊接前、焊接过程中以及焊接后的焊缝形貌数据，以获得环形激光扫描检测结果。

焊接电流与电压检测模块，用于基于采集的电流信号、焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号数据焊接电流、电压信号数据进行FFT分析，并基于特定频率段的信号强度获得焊接电流以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号频谱检测结果；具体的，对采集到的焊接电流以及电压信号进行快速傅里叶频谱分析，通过对某些特定频率段的信号强度进行监测，当其发生变动时可以判断焊接过程中出现没有焊透或者焊穿之类的缺陷，以方便进行补偿，提高焊接质量。

焊接电弧声信号检测模块，通过对所采集的电弧声信号数据进行滤波以及频谱分析，并通过特定频率段的信号强度获得电弧声信号检测结果；具体的，对采集到的信号进行滤波排除工厂自身产生的噪音干扰，再对滤波后的信号进行频谱分析,通过某个频率段的信号强度发生变化来判断焊接过程中出现没有焊透或者焊穿之类的缺陷，与所采集到的电流电压信号相配合进行焊接缺陷的判定。

接熔池及焊接电弧形貌图像检测模块，用于基于采集的焊接件正面的熔池图像数据获得熔池的尺寸形状参数以及相对于焊缝中心的位置，获得熔池正面图像检测结果；提取焊接过程中采集到的焊接过程电弧形貌图像数电据弧形貌图像特征，分析电弧形貌图像特征的异常，预测焊接过程中产生的质量问题获得焊接电弧形貌图像检测结果；具体的，对采集到的熔池图像进行处理，检测熔池的边界，然后测量其尺寸、各种形状参数、以及相对于焊缝中心的位置。将熔池从图像的其余部分分离出来后，使用区块分析工具来计算测量各种参数，例如质心、面积、周长、边界、圆度。将这些信息合在一起就来反映熔池的形成过程，是否有烧穿缺陷，焊枪是否对准焊缝中心以及其它想要的信息。同时，还可以通过分析焊接过程中钨极所输出的电弧的形貌图象，对其进行图像分割等处理方式，将其与焊接成型质量相关联，从而判断在一定程度上达到能够实时判断焊接质量的结果。

焊接质量分析模块，连接所述焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块焊缝形貌环形激光三维扫描模块、焊接电流、与电压检测模块焊接电流、电压检测模块、电弧声信号检测模块、焊接熔池及电弧形貌图像检测模块，用于融合环形激光扫描检测结果环形激光焊缝三维扫描检测结果、焊接电流以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电流电压信号频谱检测结果、电弧声信号检测结果、熔池正面图像检测结果焊接正面熔池及焊接电弧形貌图像检测结果焊接过程电弧形貌图像检测结果，对焊接质量进行综合分析与评价，以获得深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量检测结果。具体的，基于环形激光扫描检测结果、焊接电流电压检测结果、电弧声信号检测结果、正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像检测结果进行焊接质量分析，也可以对环激光扫描检测结果、焊接电流电压检测结果、电弧声信号检测结果、正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像设置不同的权重以及判定规则来综合分析，获得最终的是否质量合格的检测结果。

如图3所示，展示本发明实施例中关于正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像采集结果的初步展示。图3共由四幅图片组成：左上图片代表在焊接过程中熔穿地漏情况下的一幅图片；右上图片代表在焊接过程中背部余高过高情况下的一幅图片：左下图片代表在焊接过程中焊接成型质量良好情况下的一幅图片；右下图片代表在焊接过程中未焊透情况下的一幅图片。

在一实施例中，所述焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块包括：

焊接前焊缝检测单元，用于根据焊接前焊缝扫描数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接前的缝宽、错边量以及中心轨迹；具体的，在焊接开始之前，通过锥面镜将准直激光转换为环形光，对焊缝进行前后扫描。通过环激光扫描得到的点云数据构建出焊缝的三维模型，从而得到将要焊接的焊缝的缝宽、错边量、中心轨迹等数据。并将这些数据反馈给焊枪控制系统，从而离线生成焊接轨迹，指导自动焊接。

焊接中焊缝检测单元，用于根据实时采集的焊接中焊缝扫描数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接过程中的缝宽、错边量、中心轨迹、焊缝熔宽以及熔高；具体的，在焊接过程中，还露出一部分焊缝，因此数据分为两部分，一部分是在焊接过程中焊缝的缝宽、错边量、中心轨迹；另一部分是焊缝的熔宽以及熔高；通过多段线性拟合的图像可以快捷准确的判断出焊枪是否正确的对准了焊缝中心。不仅如此所得到的背部焊缝的熔宽以及熔高在与焊接电流、速度对应后结合焊接板材的材质、厚度以及根据得到的之前焊缝的缝宽、错边量进行综合分析，可以在形貌上判断焊接的质量。

焊接后焊缝检测单元，用于根据所采集的焊缝轮廓数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接后的的熔宽以及熔高；具体的，在焊接结束后，通过锥面镜将准直激光转换为环形光，对焊缝进行前后扫描。通过环形激光扫描得到的点云数据构建出焊缝的三维模型。与此同时，通过对所采集到的激光点云进行多段线性拟合，通过不同的拟合计算可以分别计算出正面与背部焊缝的熔宽以及熔高。通过所采集到的背部焊缝的熔宽以及熔高在与焊接电流、速度对应后结合焊接板材的材质、厚度以及得到的焊接前焊缝的缝宽、错边量进行综合分析，可以在形貌上判断焊接的质量。

焊缝形貌变化检测单元，连接所述焊接前焊缝检测单元、焊接中焊缝检测单元以及焊接后焊缝检测单元，用于对目标焊缝在焊接前的缝宽、错边量以及中心轨迹、在焊接过程中的缝宽、错边量、中心轨迹、焊缝熔宽以及熔高以及目标焊缝在焊接后的的熔宽以及熔高判断焊缝形貌变化情况，获得环形激光扫描检测结果；基于以上获得的数据在与焊接电流、速度对应后结合焊接板材的材质、厚度以及得到的焊接前焊缝的缝宽、错边量进行综合分析，可以在形貌上判断焊接的质量。

在一实施例中，所述焊接电弧形貌与熔池图像采集模块3包括：设于焊接件的目标焊缝正面的高速摄像装置，用于在焊接过程中实时采集所述焊接件正两面的熔池图像数据以及电弧形貌图像数据。具体的，在焊接过程中通过架设高速摄像机，加装滤光片后同时拍摄焊接板材正面的熔池图像以及电弧形貌图像并储存。

在一实施例中，所述焊接电信号采集模块2通过霍尔传感器，用于将焊枪的电流信号转换为数据采集卡可采集的电流信号数据以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号。具体来说，通过架设霍尔传感器将K-TIG焊接过程中的大电流(>300A)转换为可以采集的小信号电流，同时采集焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号。

在一实施例中，所述电弧声信号采集装置包括：麦克风焊接声信号采集装置。

为了更好的说明上述深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，本发明提供以下具体实施例。

实施例1：一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统。如图4所示为深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统的结构示意图。

所述系统包括：

焊接电信号采集装置、焊接熔池与电弧形貌采集装置CCD、焊接声信号采集麦克风、焊缝形貌环形激光三维扫描装置(图中未画出)以及连接各设备的计算机；

具体的检测过程如图5所示，包括以下步骤：

焊接前焊缝宽度检测：在焊接开始之前，通过环形激光扫描装置的锥面镜将准直激光转换为环形光，通过运动机构对焊缝进行前后扫描。通过环形激光扫描得到的点云数据构建出焊缝的三维模型，从而得到将要焊接的焊缝的缝宽、错边量、中心轨迹等数据。并将这些数据反馈给焊枪控制系统，从而离线生成焊接轨迹，指导自动焊接。

焊接过程中焊接电流以及电压监控：通过霍尔传感器将K-TIG焊接过程中的大电流(>300A)转换为数据采集卡可采集的小信号电流，同时采集焊枪钨极到焊接材料之间的电压信号数据。对采集到的电流电压信号进行快速傅里叶频谱分析。通过对某些特定频率段的信号强度进行监测，当其发生变动时可以判断焊接过程中出现没有焊透或者焊穿之类的缺陷，通过补偿，提高焊接质量。

焊接过程电弧声信号监控：在焊枪附近架设麦克风，通过采集卡采集焊接过程中电弧产生的声信号。对采集到的信号进行滤波排除工厂自身产生的噪音干扰，再对滤波后的信号进行频谱分析。通过某个频率段的信号强度发生变化来判断焊接过程中出现没有焊透或者焊穿之类的缺陷，与焊接电信号配合进行焊接质量判定。

焊接过程中正面熔池图像以及焊枪输出的电弧形貌图像监控：在焊接过程中通过高速摄像机，加装滤光片后同时拍摄焊接板材正面的熔池图像以及电弧形貌图像数据并储存。再对采集到的熔池图像以及电弧形貌图像数据进行处理，检测熔池的边界，然后测量其尺寸、各种形状参数、相对于焊缝中心的位置以及电弧的形貌、轮廓等。将熔池从图像的其余部分分离出来后，使用区块分析工具来计算测量各种参数，例如质心、面积、周长、边界、圆度。将这些信息合在一起就来反映熔池的形成过程，是否有烧穿缺陷，焊枪是否对准焊缝中心以及其它想要的信息，结合电弧形貌轮廓对焊接质量进行综合判断。

焊接后焊缝轮廓检测：在焊接开始之后，通过锥面镜将准直激光转换为环形光，通过运动机构对焊缝进行前后扫描。通过环形激光扫描得到的点云数据构建出焊缝的三维模型。与此同时，通过对所采集到的激光点云进行多段线性拟合，通过不同的拟合计算可以分别计算出正面与背部焊缝的熔宽以及熔高。通过多段线性拟合的图像可以快捷准确的判断出焊枪是否正确的对准了焊缝中心。不仅如此、所得的背部焊缝的熔宽以及熔高在与焊接电流、速度对应后结合焊接板材的材质、厚度以及步骤一中得到的焊接前焊缝的缝宽、错边量进行综合分析，可以在形貌上判断焊接的质量。

最后融合以上所检测结果进行综合分析获得最终的深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量检测结果。

本实施例与现有的同样基于K-TIG焊接焊缝的质量检测技术相比，不同点在于：(1)采用锥面镜生成环形激光代替传统的线激光对焊缝进行扫描，在扩大了激光检测宽度的同时更方便于检测圆筒形工件的背部焊缝形貌。(2)集成高速摄像机对焊接过程熔池与电弧形貌进行实时监控，同时实时采集焊接电流信号、焊枪钨极与焊接材料之间的电压信号、以及电弧声信号，综合评判焊接质量。

综上所述，本发明深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，通过在焊接之前、焊接过程中以及焊接后利用环形激光对焊缝进行三维扫描，以及在焊接过程中实时采集焊接电流、电压信号数据、电弧声信号数据、正面熔池以及焊枪输出的电弧形貌图像数据并且对以上数据进行综合分析实现对焊接质量的在线监控。本发明通过所采集到的多个维度的数据实现对焊接质量的检测与综合评估，大大提高了焊接质量检测的效率以及准确度。本发明有效克服了现有技术中的缺点，具有很好的应用价值。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述系统包括：

焊缝形貌环形激光三维扫描模块，用于分别在深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接之前的试件拼接间隙与错边量状况、焊接过程中以及焊接后对焊接件目标焊缝形貌的三维扫描，以采集对应的焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝形貌数据；

焊接电信号采集模块，用于在焊接过程中实时采集焊接的电流信号、焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号数据；

焊接电弧声信号采集模块，用于在焊接过程中实时采集焊枪产生的电弧声信号数据；

焊接电弧形貌与熔池图像采集模块，用于在焊接过程中实时采集所述焊接件正面的熔池图像数据以及焊接过程电弧形貌图像数据；

焊接质量监控系统，连接所述焊接形貌环形激光扫描模块、焊接电信号采集模块、焊接电弧声信号采集模块以及焊接电弧形貌与熔池图像采集模块，用于基于采集焊接前焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据、焊接后焊缝形貌数据、电流以及电压信号数据、电弧声信号数据、所述焊接件正面的熔池图像数据以及焊接过程中电弧形貌图像数据对焊接质量进校综合评估，以获得对应所述目标焊缝的深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量。

2.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述焊缝形貌环形激光三维扫描模块包括：安装于重型三脚架上的前后运动直线导轨、驱动电机以及安装在直线导轨上的焊缝形貌环形激光三维扫描组件；所述焊缝形貌环形激光三维扫描组件包括：沿同一光轴排列、集成于透明玻璃管内的锥面镜、激光准直扩束镜组、激光器以及CCD相机；

其中，所述锥面镜用于将由激光器发射的经过激光准直扩束镜组扩束的激光转换为环形激光，并由所述CCD相机采集对应前后扫描的目标焊缝的焊接前试件拼接状况扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝轮廓数据。

3.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述质量监控装置包括：

焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块，用于基于焊接前拼接焊缝扫描数据、焊接中焊缝扫描数据以及焊接后焊缝三维轮廓数据，构建对应的焊缝的三维模型获得焊接前、焊接过程中以及焊接后的焊缝形貌数据，以获得环形激光扫描检测结果；

焊接电流与电压检测模块，用于基于采集的电流信号、焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号数据进行FFT分析，并基于特定频率段的信号强度获得焊接电流以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号频谱检测结果；

焊接电弧声信号检测模块，通过对采集的电弧声信号数据进行滤波以及频谱分析，通过特定频率段的信号强度获得电弧声信号检测结果；

焊接熔池及焊接电弧形貌图像检测模块，用于基于采集的焊接件正面的熔池图像数据获得熔池的尺寸形状参数以及相对于焊缝中心的位置，获得熔池正面图像检测结果；提取采集到的焊接过程电弧形貌图像数据，分析电弧形貌图像特征的异常，预测焊接过程中产生的质量问题获得焊接电弧形貌图像检测结果；

焊接质量分析模块，连接所述焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块、焊接电流、与电压检测模块、电弧声信号检测模块、焊接熔池及电弧形貌图像检测模块，用于融合环形激光扫描检测结果、焊接电流以及焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号频谱检测结果、电弧声信号检测结果、熔池正面图像检测结果及焊接电弧形貌图像检测结果，对焊接质量进行综合分析与评价，以获得深熔小孔非熔化惰性气体保护焊接质量检测结果。

4.根据权利要求3中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述焊缝形貌环形激光三维扫描检测模块包括：

焊接前焊缝检测单元，用于根据焊接前焊缝扫描数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接前的缝宽、错边量以及中心轨迹；

焊接中焊缝检测单元，用于根据实时采集的焊接中焊缝扫描数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接过程中的缝宽、错边量、中心轨迹的变形与变化、背面熔宽、熔高等；

焊接后焊缝检测单元，用于根据采集的焊缝双侧轮廓数据构建当前目标焊缝的三维模型，以获得目标焊缝在焊接后的的熔宽、熔高等焊缝形貌参数；

焊缝形貌变化检测单元，连接所述焊接前焊缝检测单元、焊接中焊缝检测单元以及焊接后焊缝检测单元，用于对目标焊缝在焊接前的缝宽、错边量以及中心轨迹、在焊接过程中的缝宽、错边量、中心轨迹、熔宽以及熔高以及目标焊缝在焊接后的熔宽以及熔高判断焊缝形貌变化情况。

5.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，当所述焊接件为筒状中空结构时，环形激光三维扫描模块通过安装在重载三角架上的运动模块进入筒状中空结构内对焊缝进行三维扫描；

其中，所述重载三角支架及运动机构包括：

安装于重载三脚架上的直线运动导轨、驱动电机、以及安装在运动导轨上的环形激光三维扫描模块，直线运动导轨上安装有高精度光栅位移传感器；

所述环形激光三维扫描模块包括：

沿同一光轴排列、集成于透明玻璃管内的锥面镜、激光准直扩束镜组、激光器以及相机；环形激光轮廓可以对筒状中空结构内轮廓进行成像。

环形激光三维扫描模块在重载三脚架的驱动下对试件焊缝进行扫描，结合高精度光栅位移传感器所采集的数据，构建焊缝形貌的三维数据。

6.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述焊接电弧形貌与熔池图像采集模块包括：设置于焊接件的目标焊缝正面的高速摄像装置，用于在焊接过程中实时采集所述焊接件正面的熔池及电弧形貌图像数据。

7.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述焊接电弧声信号采集模块通过霍尔传感器，用于将焊接的大电流信号转换为可适应于数据采集卡采集的电流信号数据，同时采集焊枪钨极与焊接材料之间焊接电压信号。

8.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，利用麦克风采集所述电弧声信号，分析焊接过程中声信号的异常。

9.根据权利要求1中所述的深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接的质量监控系统，其特征在于，所述焊缝形貌环形激光三维扫描模块通过前后运动驱动装置驱动相应的前后移动；所述前后运动驱动装置为驱动电机、直线导轨及高精度光栅位移传感器。

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