CN118143436A - 一种激光焊接监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光焊接监测装置，用于监测激光焊接过程中的焊接温度以及焊接区域的面积，监测装置包括X射线发生装置，探测器以及信号处理装置，其中X射线发生装置发射X射线探测信号至母材上的待焊接区域，探测器用于探测X射线经待焊接区域之后的衍射信号，信号处理装置用于处理探测器探测得到的衍射信号，并根据衍射信号获得母材待焊接区域的焊接温度以及焊接面积。

Description

一种激光焊接监测装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接监测领域，更具体地，涉及一种监测激光焊接温度和焊接面积的装置及方法。

背景技术

焊接技术是连接两块或者两块以上金属母材的常用方法，随着工业精度要求的提高，对焊接焊缝质量的要求也越来越高，焊接技术也从传统的电弧焊、氧气乙炔焊接发展为激光焊接，激光焊接是利用激光束的高能量密度，对待焊接金属母材的焊接区域进行集中加热，形成熔池，进而实现焊接，激光焊接在小区域焊接以及精确焊接中具有明显的优势。

在激光焊接中，为了实现高质量的焊接，必须对焊接区域面积以及焊接区域的温度进行控制，温度太低则得不到焊接的要求，温度太高则会对母材的材质产生影响，现有技术中已经有相关的技术对激光焊接时的焊接温度进行监测和控制，如专利JP2013166351A即公开了采用红外传感器检测焊接区域的温度，以判断激光焊接状态，同时，现有技术中还存在通过图像传感器检测焊接温度的方式，但上述方式均存在明显的缺陷，其中红外传感器是利用红外热辐射监测焊接温度，但由于焊接区域温度不均匀，容易产生误判，而图像传感器不仅图像处理过程复杂，而且由于焊接区域的不均匀性，同样存在误判的问题，且现有技术中也并未出现可以同时检测焊接区域温度和焊接面积的技术方案。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供了一种同时监测激光焊接区域焊接面积以及焊接温度的装置及方法，且具有很高的检测精度。

根据本发明的第一方面，提供了一种激光焊接监测装置，用于监测激光焊接过程中的焊接温度以及焊接区域的面积，包括探测信号发生装置，探测器以及信号装置，其中探测信号发生装置用于发射X射线探测信号至母材上的待焊接区域，探测器用于探测X射线经所述待焊接区域之后的衍射信号，信号处理装置用于处理探测器探测得到的衍射信号，并根据衍射信号获得母材待焊接区域的焊接温度信息以及焊接面积信息。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，探测信号发生装置所发射的X射线探测信号至少覆盖母材的待焊接区域。

可选的，测信号发生装置所产生的X射线探测信号可以为平行的面形X射线，以覆盖母材的待焊接区域，测信号发生装置所产生的X射线探测信号也可以为线型X射线，在探测时，线型X射线通过扫描覆盖激光焊接的待焊接区域。

可选的，监测装置还包括控制装置，控制装置与信号处理装置连接，所述信号处理装置将焊接区域的温度信息输入至控制装置，控制装置根据温度信息调整焊接激光器的激光功率。

可选的，检测装置还包括显示装置，显示装置与信号处理装置连接，信号处理装置将焊接区域的温度信息以及焊接面积信息输入至显示装置，显示装置将焊接区域的温度信息以及焊接面积信息进行显示。

可选的，探测信号发生装置包括X射线源以及可见光源， X射线源产生的X射线与可见光源产生的可见光同轴，并同轴照射于母材上的待焊接区域。

可选的，探测信号发生装置还包括位置调节装置，位置调节装置可调节探测信号发生装置的三维位置，从而将探测信号发生装置发射的X射线照射在待焊接区域上，并且可以进一步调节X射线对于母材的入射角度。

根据本发明的第二方面，提供一种激光焊接监测方法，其采用上述的激光焊接监测装置，包括以下步骤：

S1、启动焊接激光器，将焊接激光照射于母材上待焊接的区域，实施激光焊接；

S2、探测信号发生装置发射X射线探测信号，将探测X射线照射于母材上的焊接区域，同时通过探测探测X射线的衍射信号；

S3、将探测器的探测信号输入至信号处理装置，信号处理装置通过分析X射线的衍射信号，获得焊接区域的焊接温度信息和焊接面积信息。

可选的，在步骤S3 之后还包括：

S4、信号处理装置将温度信息输入控制装置，控制装置根据温度信息调整焊接激光器的功率。

可选的，在步骤S3 之后还包括：

步骤S4´、信号处理装置将获得的焊接温度信息和焊接面积信息输入至显示装置，显示装置将焊接区域的所述温度信息以及所述焊接面积信息进行显示。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

（1）本申请通过采用X射线照射于母材的待焊接区域，可以同时获得焊接区域的温度信息以及焊接面积信息，一方面克服了现有技术中只能单一的获得焊接温度信息的缺陷，另一方面，相比于图像检测方法，本申请并不需要复杂的处理算法，同时，本申请可以将监测结果直管的展现在操作人员面前，方便操作人员对焊接过程的控制和跟追；

（2）本申请在由于获得了焊接区域周边母材的X射线衍射信息，根据该信息，本申请可以直观的获得母材在焊接过程中由于高温等原因引起的材质的相比，对于控制母材的焊接质量以及焊接后母材的材质性能变化具有积极的效果。

附图说明

图1为本发明提供的一种激光焊接监测装置的示意图；

图2为本发明探测信号发生装置的示意图；

图3为本发明焊接区域的结构示意图；

图4为本发明显示装置显示结果示意图；

附图中：1—母材；2—焊接区域；3—激光器；4—聚焦透镜；5—探测信号发生装置；6—探测器；7—信号处理装置；8—显示装置；9—控制装置；10—反射镜；51—X射线源；52—可见光源；21—熔融区域；22—焊接边界区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

图1为本发明提供的一种激光焊接监测装置示意图，如图1所示，本申请的激光焊接监测装置包括探测信号发生装置5，探测器6，信号处理装置7，显示装置8以及控制装置9，其中探测信号发生装置用于发生探测5用的X射线，探测器6用于探测X射线经焊接区域之后的衍射信号，信号处理装置7用于对探测的衍射信号进行处理，控制装置9根据信号处理装置输出的处理信号对焊接激光器的功率以及位置进行控制，同时显示装置根据信号处理装置的输出将探测结果进行显示，以方便操作人员对探测结果的查看和跟追。

具体的，本申请的激光焊接监测装置在工作时，首先打开激光焊接用激光器3，将激光照射于母材1上的待焊接区域2，在焊接工作稳定之后，探测信号发生装置5发射X射线，并将X照射于焊接区域，在激光焊接过程中，如图3所示，被激光照射的焊接区域会形成熔融区域21，该改区域母材处于熔融状态，而在其他区域，母材仍处于固态晶体状态。

一方面，根据X射线的衍射原理可知，处于固态晶体的母材会发生X射线的衍射，形成衍射图谱，而处于熔融状态的母材则并不会发生X射线的衍射，因此，并不能获得对应的X射线衍射图谱，基于此，当探测器6对探测信号发生装置5所发射的X射线的衍射信号进行探测时，当X射线照射在非熔融区域时，能够获得对应的X射线衍射信号，而当X射线照射在熔融区域时，则不能获得X射线的衍射信号，因此，在探测器6的探测结果中，会形成存在X射线衍射信号的区域包围不存在X射线衍射信号的区域，根据上述存在X射线衍射信号的区域以及不存在X射线衍射信号的区域，即可获得母材上熔融区域的面积，即激光焊接区域的面积。

另一方面，根据X射线的衍射原理，其满足以下布拉格公式：

其中d为母材晶面间距，λ为X射线的波长，θ为掠射角，n为衍射级数。

而上述公式中，母材晶面间距d会随温度的变化而变化，一般而言，随着温度的升高，母材会发生膨胀，相应的晶面间距也会增加，相应的X射线衍射图谱也会发生变化。基于此，在激光焊接过程中，参见图3，焊接区域的温度会发生变化，相应的，在焊接边界区域，母材虽不会发生熔融，但其温度基本与熔融区域相等，因此，在探测器6探测到的X射线衍射信号中，根据衍射图谱即可计算获得熔融区域的焊接温度。

进一步的，为了使发射的X射线至少覆盖熔融区域，本发明的探测信号发生装置5所产生的X射线探测信号为平行的面形X射线，X射线的面积至少覆盖激光焊接的熔融区域，另外，本申请探测信号发生装置也可以产生线型X射线，在探测时，上述线型X射线通过扫描覆盖激光焊接的熔融区域。

进一步的，如图4所示，本发明显示装置用于显示探测结果，在显示装置中，包括焊接的熔融区域，以及焊接的温度。

进一步的，本发明中的探测信号发生装置5还包括三维的位置调节装置，该位置调节装置可以调节探测信号发生装置5的空间位置，从而将其发射的X射线照射在母材1上的待探测区域，同时，该位置调节装置还可以实现X射线相对于母材的入射角，如此，可以提高X射线衍射探测的精度，而具体的位置调节装置，可以选择现有技术中已知的位置调节装置，如通过滑轨实现的位置调节装置、通过机械臂实现的位置调节装置等，只要能够实现位置的调节装置均可用于本发明中。

实施例

实施例二的激光焊接监测装置包括实施例一的监测装置，其区别在于该实施例的探测信号发生装置除包括X射线源51之外，还包括可见光源52，可见光源52用于发射可见光，且可见光源52发生的可见光与X射线源发射的X射线同轴，如此，可以通过可见光为X射线提供指引，操作人员通过观察可见光的照射位置即可确定X射线在焊接区域的照射位置。

实施例

本申请还提供了一种激光焊接监测方法，其采用实施例一和实施例二所记载的激光焊接监测装置，该监测方法具体包括以下步骤：

S1、启动焊接激光器3，将焊接激光照射于母材1上待焊接的区域2，实施激光焊接；

S2、待焊接装置工作稳定后，探测信号发生装置5发射X射线探测信号，将探测X射线照射于母材上的焊接区域2，同时通过探测6接受X射线的衍射信号；

S3、将探测6的探测信号输入信号处理装置7，信号处理装置7通过分析X射线的衍射信号，获得焊接区域2的焊接温度信息和焊接面积信息；

S4、信号处理装置7将温度信息输入控制装置9，控制装置9根据上述温度信息调整激光器3的功率。

进一步的，信号处理装置7还将信号处理装置7获得的焊接温度信息和焊接面积信息输入显示装置8中，以供操作人员查看和跟追。

进一步的，信号处理装置7中存储有母材温度与X射线衍射信号的标准模型，信号处理装置7在获得X射线颜色信号之后，根据该标准模型，计算得到焊接区域的温度。上述标准模型根据不同的焊接母材获得，具体的，通过对不同的母材进行升温是温度覆盖焊接温度，同时测量不同温度下对应的X射线衍射信号，根据该温度值以及X射线衍射信号，建立温度与X射线衍射信号的标准模型。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种激光焊接监测装置，用于监测激光焊接过程中的焊接温度以及焊接区域的面积，其特征在于，包括探测信号发生装置（5），探测器（6）以及信号处理装置（7），其中探测信号发生装置（5）用于发射X射线探测信号至母材（1）上的待焊接区域（2），探测器（6）用于探测所述X射线经所述待焊接区域（2）之后的衍射信号，所述信号处理装置（7）用于处理所述探测器（6）探测得到的所述衍射信号，并根据所述衍射信号获得所述母材（2）待焊接区域的焊接温度以及焊接面积。

2.根据权利要求1所述的一种激光焊接监测装置，其特征在于，所述探测信号发生装置（5）所发射的X射线探测信号至少覆盖所述母材（1）的所述待焊接区域（2）。

3.根据权利要求2所述的一种激光焊接监测装置，其特征在于，所述探测信号发生装置（5）所发射的X射线探测信号为平行的面形X射线。

4.根据权利要求2所述的一种激光焊接监测装置，其特征在于，所述探测信号发生装置（5）所发射的X射线探测信号为线型X射线，在探测时，所述线型X射线通过扫描覆盖所述母材（1）的所述待焊接区域（2）。

5.根据权利要求1所述的一种激光焊接监测装置，其特征在于，还包括控制装置（9），所述控制装置（9）与信号处理装置（7）连接，所述信号处理装置（7）将焊接区域的温度信息输入至所述控制装置（9），所述控制装置（9）根据所述温度信息调整焊接激光器（3）的激光功率。

6.根据权利要求1所述的一种激光焊接监测装置，其特征在于，还包括显示装置（8），所述显示装置（8）与所述信号处理装置（7）连接，所述信号处理装置（7）将焊接区域的温度信息以及焊接面积信息输入至所述显示装置（8），所述显示装置（8）将焊接区域的温度信息以及焊接面积信息进行显示。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种激光焊接监测装置，其特征在于，所述探测信号发生装置（5）包括X射线源（51）以及可见光源（52），所述X射线源（51）产生的X射线与所述可见光源（52）产生的可见光同轴，并同轴照射于所述母材（1）上的待焊接区域（2）。

8.一种激光焊接监测方法，采用权利要求1-7任一项所述的激光焊接监测装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、启动焊接激光器（3），将焊接激光照射于母材（1）上待焊接的区域（2），实施激光焊接；

S2、探测信号发生装置（5）发射X射线探测信号，将所述探测X射线照射于所述母材（1）上的所述焊接区域（2），同时通过探测器（6）探测X射线的衍射信号；

S3、将所述探测器（6）的探测信号输入至信号处理装置（7），所述信号处理装置（7）通过分析X射线的衍射信号，获得所述焊接区域（2）的焊接温度信息和焊接面积信息。

9.根据权利要求8所述的一种激光焊接监测方法，其特征在于，在步骤S3 之后还包括：

S4、所述信号处理装置（7）将所述温度信息输入控制装置（9），所述控制装置（9）根据所述温度信息调整所述焊接激光器（3）的功率。

10.根据权利要求8所述的一种激光焊接监测方法，其特征在于，在步骤S3 之后还包括：

步骤S4´、所述信号处理装置（7）将获得的焊接温度信息和焊接面积信息输入至显示装置（8），所述显示装置（8）将焊接区域的所述温度信息以及所述焊接面积信息进行显示。