CN1291928A - 焊缝检查 - Google Patents

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Abstract

当在对焊中检查激光焊接焊缝时,出现了很大难度。根据本发明,为了测知焊接缺陷,沿焊缝连续地扫描焊缝高度。根据焊缝增高区来探测焊接缺陷。

Description

焊缝检查
本发明涉及如权利要求1前序所述的、对在对焊过程中通过激光束深层焊方式实现的焊接头进行焊缝检查的方法和装置。
经过专用切割和焊接的板件(所谓的“特制坯件”)尤其是正在被逐渐广泛地应用到汽车领域。因此，一方面的目标是节约管材，另一方面的目标是可以简化工艺设计和工艺流程。这样的“特制坯件”是在对焊中通过激光焊制成的。因而，两个互补切割的板件的边缘被对接起来，用夹具固定住它们并使其经过一个装备有激光器的焊接工位。尤其是，为此采用了大功率激光器，可以利用这样的激光器进行深层焊。
除了造成金属熔化外，大功率激光器还造成金属汽化并形成了等离子。在熔融区上方和熔融区内的等离子的汽压在熔池中冲开了一个深窄的毛细孔。然而，在熔池(所谓的“焊池”)上方形成的等离子云或等离子焰可能变得太热、太密，这可能造成激光束被屏蔽住并且中断了焊接过程。因此，一般供应工作气体(主要是氦气或氩气)来冷却等离子并因而减小其密度。在激光束深层焊过程中，液态金属连续飞入毛细孔中，而这些金属液在其它情况下又可能爆炸性地被喷出。大多数喷射金属或飞溅金属是在焊接平面内飞行的，所述焊接平面通过焊缝和激光束被拉紧。
深层焊工艺的稳定性和进而焊缝质量取决于许多参数如焊接速度、激光器性能、工件材质且尤其是边缘表面和边缘走向。对于可重复的一致焊接结果来说，气体动态状况即工作气体供应方式、焊接烟气的排除和激光发射管通风情况是很重要的。所有这些参数在焊接过程中处于复杂且不稳定的平衡中。
因偶然改变参数而导致的平衡位置错误可能导致暂时中断深层焊过程并可能造成无规律地从焊池中喷射出熔融物。在喷溅材料量小的情况下，局部缺少的金属又被液态焊池取代了。但如果大量喷出金属，则没有出现愈合口，并且在焊缝上产生了滴状材料堆积。材料堆积可能遍及长为0．5毫米-5毫米的焊缝的整个范围并具有1毫米的高度。由于喷溅并堆积的材料不再飞溅回焊接毛细孔中，所以在这样的滴状材料堆积前，在焊缝中出现了弧坑、焊沟或气隙。这样的焊接缺陷一般出现在用大功率激光器进行焊接的过程中，并且根据ISO13919-1所定的激光束焊接头焊缝质量技术要求，这一般是不能允许的。
因此，已经知道了各种可以检查焊缝质量的方法。尤其是让本领域技术人员知道了在激光束深层对接焊中进行焊缝检查的方法，例如专利………(Soudronic)所述的那样。该文献所公开的方法涉及借助光学系统来探测焊缝截面形状。接着，计算机可以分析板件焊接头的焊缝截面形状是否符合质量要求。在该方法中，进行共约15毫米的焊接截面形状测量。
另一种已知的焊缝检查方法如由US4，827，099所公开的方法监测焊接过程并涉及探测由等离子云发射出的紫外光和由灼热的焊接喷嘴发出的IR射线。在该方法中，通过比较所测光谱值与所存储的标准值来探测焊接缺陷。这样的焊接过程监测方法延长了费事的标准值设置时间并需要复杂的探测结构。不幸的是，总是出现误报，因为在该方法中，只考虑了复杂焊接过程的两个测量值。
本发明的任务是提供一种在激光束深层对焊过程中检查焊缝的方法和装置，它们没有已知方法和装置的缺点并且尤其是能够简单并可靠地检查焊缝。
尤其是可以提供这样的方法和装置，即利用该方法和装置能够简单地探测到焊接缺陷且尤其是弧坑、焊沟、气隙和／或材料沿焊缝堆积并因而可以检查是否符合ISO13919-1所述的技术要求。
根据本发明，利用如权利要求1所述的焊缝检查方法具有权利要求5所述特征的装置而完成了上述任务。尤其是，为了在一个在对焊过程中通过激光束深层焊进行的板件焊接头中测知所述焊接缺陷而设置了这样的装置，即利用该装置沿焊缝连续扫描焊缝高度。因此，不仅可以测知弧坑、焊沟和气隙，而且可以测知上述的在焊缝上的材料堆积。
由于焊缝焊接缺陷在用大功率激光器进行的深层焊中总是伴随着后续的滴状材料堆积，而这产生了遍及整个焊缝范围的显著的焊缝增高区，所以在本发明方法的一个优选实施例中，只探测焊缝增高区。
显然，所扫描出的高度值被送往一个显示器和／或计算机。尤其是，计算机可以将所扫描的值与ISO13919-1的各质量等级进行比较，计算机显示出准确的焊接缺陷和／或存储所测数据。
本发明的特点还在于以下这个最简单的测量原理，即它允许简单的装置结构并且形成了一个可靠、不复杂且低成本的检查焊缝及测知焊接缺陷的方法。
这个简单的测量方法允许使用各种沿焊缝连续扫描焊缝高度的装置。显然，所有技术人员已知的测距装置都是可以使用的。可利用其连续扫描焊缝的光学测距仪可以被视为适当的装置。
在本发明方法的另一个实施例中，设置了一个可机械偏转的探针，其偏转例如可以借助压电晶体被转换成电信号。
作为沿焊缝扫描焊缝高度的装置，可以采用测距用的常见装置。
以下，借助附图并结合一个实施例来详细描述本发明。其中：
图1是完美焊缝的示意图；
图2是深层焊过程的示意图；
图3是形成弧坑的焊缝的示意图；
图4是形成气隙的焊缝的示意图；
图5是本发明装置的一个优选实施例的示意图。
图1示意地示出了在对焊过程中通过激光束深层焊方式实现的两块厚度不同板件12、12的焊接头的焊缝11。焊缝宽度14、垂直于焊缝的垂直截面形状15和沿焊缝的上表面结构16由焊接参数决定，例如由激光器性能、工件材质且尤其是边缘上表面、边缘走向和边缘准备情况以及板边厚度和焊接速度。因此，例如焊缝宽度14可以在0．3毫米-1．3毫米之间变化。在符合标准的板件焊接头中，焊缝11通常具有鳞片状表面结构16，其焊缝高度沿数百毫米范围内的焊缝的变化值，如等于0．02毫米。
在此所用的术语“板件”是指金属的且最好是由钢制成的平面件，如大小、厚度、表面积随意的金属带、金属片或金属板。在此所述的板件焊接头是指通过焊接形成的板边缘之间的连接，其中板边缘可以具有不同厚度并且不一定要来源于两个分开的板件，而是可以属于一块如预先被滚圆的整体板件。在这里，用术语“对焊”来表示平齐地对准并固定住板边缘的板件状态。术语“焊缝高度”包括焊缝凹道以及焊缝增高区。
图2示意地示出了在焊接地点的情况。另外，大功率激光束21撞击要焊接的(未示出)板件22、23。激光束21的冲击能量造成板件22、23熔化并形成了焊池27。另外，由激光束21引起的热量产生了等离子24，所述等离子在焊池27中形成了一个深窄的毛细孔25。通过板件22、23与激光束21的相对运动R，在焊池27后出现了一个焊料固化的区域26，它构成了焊缝。如图2所示，在激光束21前面的液化金属28因焊接过程中的相对运动R而另外选择了激光束21的背面29并优选地覆盖在区域26的上侧。另外，形成了鳞片状的表面结构。还可以借助该图了解到以下内容，即在等离子24平衡出现干扰时，液态焊料充入毛细孔25中，因而没有或只形成了少量焊接头。如果激光束21冲击已存在的焊池27，则可以爆炸性地大量喷溅出液态焊料。这种喷溅一般在焊接能束后面位于焊缝上并且可以明显地看到它们成滴状。
图3所示的两块等厚板件32、33的焊接头的焊缝31具有成弧坑形状的焊接缺陷34，其后紧跟着滴状材料堆积35。这样的弧坑(也被称为直径至少为0．1毫米的气孔)可以具有不同的深度，它们一般不超过整个焊缝宽度并优选地位于焊缝中央。滴状材料堆积35导致了焊缝增高区，它可能分布在整个焊缝范围内并且具有0．5毫米-5毫米的长度和高达数十毫米的高度。
图4所示的两块等厚板件42、43之间焊缝41的示意图具有成焊缝气隙形式的焊接缺陷44，其中随后紧跟着滴状材料堆积45。这样的焊缝气隙一般长0．05毫米-0．2毫米并且一般不是分布在整个焊缝范围内，而是具有0．2毫米的宽度。焊缝气隙44通常成直径约为0．2毫米的气孔状。滴状材料堆积45导致了焊缝增高区，它具有数十毫米的高度。
图5示意地画出了执行本发明方法的装置。为了沿两块厚度不同的板件52、53的焊接头的焊缝51扫描焊缝高度，最好采用光学器件54。在该实施例中，光学器件54包括三个配备有半导体激光器的光学测距仪，它最好相对表面法线成30度的斜角。
在另一个实施例中，代替光学探测器件采用了探针，使所述探针沿焊缝51移动。探针偏转可以借助压电晶体被转换成电信号，再用适当的阈值计算线路处理所述电信号。技术人员显然可以想到采用其它看起来适用于他的测距仪如超声波探测器。探测器的结构不是本发明的内容，因此在这里没有进行详细描述。对选择适当探测器来说，探测器能够可靠简单地测定数十毫米数量级的厚度差的能力是重要的。因此，尤其是探测器应该可以在这个数量级内探测到焊缝增高区。
本发明方法和本发明装置的优点是，在用大功率激光器进行深层焊时，尤其是通过单独探测焊缝增高区而获得了焊接缺陷探测的简单性。另外，连续扫描焊缝能可靠探测焊接缺陷。

Claims (10)

1．一种对在对焊过程中通过激光器深层焊方式实现的焊接头进行焊缝检查的方法，其特征在于，为测知焊接缺陷，沿焊缝连续地扫描焊缝高度。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据焊缝增高区来探测焊接缺陷。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用一个机械探针来扫描焊缝高度。
4．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用一个光学测距仪来扫描焊缝高度。
5．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用一个声学测距仪来扫描焊缝高度。
6．一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于，它为了测知焊接缺陷而具有一个沿焊缝连续扫描焊缝高度的扫描装置。
7．如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述扫描装置具有探测焊缝增高区的器件。
8．如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述扫描装置具有至少一个机械探针。
9．如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述扫描装置具有至少一个光学测距仪。
10．如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述扫描装置具有至少一个声学测距仪。
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