本發(fā)明涉及汽車、軌道客車、航空航天、制藥裝備等技術(shù)領(lǐng)域的一種搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)，屬于焊接質(zhì)量控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著汽車、軌道客車等制造領(lǐng)域?qū)Ρ“搴附硬考|(zhì)量及生產(chǎn)效率要求的不斷提高，激光焊工藝以其高效、小變形等優(yōu)勢而得以廣泛應(yīng)用。但是，激光焊工藝對(duì)工件的組對(duì)間隙、裝夾精度等條件要求較高，否則極易造成未熔透、成型不良等質(zhì)量問題。因此，激光焊過程的在線監(jiān)測，尤其是熔透狀態(tài)監(jiān)測問題一直是焊接工作者關(guān)注的熱點(diǎn)，同時(shí)也是汽車、軌道客車等制造領(lǐng)域亟需解決的重點(diǎn)問題。

目前，激光焊過程的熔透狀態(tài)監(jiān)測大多采用基于等離子體的聲光特性監(jiān)測法和基于小孔表面特征的直接圖像監(jiān)測法。前者通過建立熔透狀態(tài)與等離子體聲光特性的數(shù)學(xué)模型，以聲光信號(hào)為監(jiān)測對(duì)象間接反映焊接過程的穩(wěn)定性。后者則通過視覺傳感器實(shí)時(shí)捕捉小孔二維圖像,并根據(jù)其幾何特征對(duì)接頭內(nèi)部的熔透狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。這些方法雖然能夠提供一定的質(zhì)量信息，但是其設(shè)備復(fù)雜，且存在抗干擾能力差、適用范圍窄等問題，因而其進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用受到了極大的制約。監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)是解決上述問題的重要選擇對(duì)策。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置及方法，針對(duì)現(xiàn)階段薄板搭接激光焊接頭的焊接要求，以激光深熔焊自身所產(chǎn)生的超聲波為對(duì)象，對(duì)焊接過程中工件的熔透狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，確保其達(dá)到焊接接頭的設(shè)計(jì)及工藝要求，最終實(shí)現(xiàn)薄板搭接激光焊接頭質(zhì)量的在線監(jiān)測。

本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，是由監(jiān)測主機(jī)、跟隨裝置及信號(hào)線構(gòu)成，跟隨裝置由連接桿、鎖緊螺栓、支撐桿、保持架、導(dǎo)向輪、壓緊彈簧和超聲波探頭構(gòu)成，保持架通過支撐桿和鎖緊螺栓與連接桿連接，保持架的端部樞接導(dǎo)向輪，超聲波探頭活動(dòng)穿設(shè)在保持架中，超聲波探頭上套設(shè)有壓緊彈簧，壓緊彈簧位于超聲波探頭頭端與保持架之間，超聲波探頭通過信號(hào)線與監(jiān)測主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，監(jiān)測主機(jī)通過數(shù)據(jù)總線與焊接設(shè)備控制器相連，實(shí)現(xiàn)焊接啟動(dòng)、結(jié)束狀態(tài)指令的傳輸；跟隨裝置通過連接桿與激光焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)剛性連接，在焊接過程中，跟隨裝置隨著激光頭同步運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測方法：

在焊接過程中，激光頭位于工件正面施焊，超聲波探頭位于激光頭的正前方(焊接方向)，在壓緊彈簧的壓緊作用下緊貼著工件的反面。由于小孔的前端(焊接方向)始終存在巨大的溫度梯度，從而致使其周圍尚未熔化的金屬產(chǎn)生瞬間熱應(yīng)力。該熱應(yīng)力通過固態(tài)金屬向四周傳播從而形成應(yīng)力波(超聲波)。在線監(jiān)測裝置通過對(duì)此應(yīng)力波的實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲取應(yīng)力波到達(dá)超聲波探頭的時(shí)間，從而對(duì)小孔的深度進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。計(jì)算式如下：

L＝t×Vu

$T=T1+T2-\sqrt{L^2-D^2}$

式中，L為小孔底部與超聲波探頭直線距離，D為小孔中心與超聲波探頭中心的縱向距離，t為應(yīng)力波(超聲波)到達(dá)超聲波探頭的時(shí)間，Vu為超聲波在金屬材料的傳播速度，T1為上層板的厚度，T2為下層板的厚度，T為小孔深度。

在線監(jiān)測裝置啟動(dòng)后，首先進(jìn)行超聲參數(shù)的初始化工作，加載預(yù)存的增益、濾波等設(shè)置參數(shù)，然后等待焊機(jī)發(fā)送來的焊接啟動(dòng)指令。焊接開始后，在線監(jiān)測裝置自動(dòng)采集超聲波探頭所捕捉到的超聲波信號(hào)，計(jì)算波頭到達(dá)超聲波探頭的時(shí)間t，并根據(jù)公式計(jì)算小孔深度T。在線監(jiān)測裝置持續(xù)地將計(jì)算得到的深度數(shù)據(jù)顯示于軟件主界面，同時(shí)存儲(chǔ)于內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監(jiān)測過程，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。在接收到下一個(gè)焊接開始指令后重復(fù)上述過程，最終完成所有焊縫的熔深監(jiān)測。

本發(fā)明的有益效果：

針對(duì)現(xiàn)階段薄板搭接激光焊接頭的焊接要求，本發(fā)明以激光深熔焊自身所產(chǎn)生的超聲波為對(duì)象，對(duì)焊接過程中工件的熔透狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，確保其達(dá)到焊接接頭的設(shè)計(jì)及工藝要求，最終實(shí)現(xiàn)了薄板搭接激光焊接頭質(zhì)量的在線監(jiān)測。

附圖說明

圖1是搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是跟隨裝置的工作示意圖。

圖3是超聲波測量原理示意圖。

圖4是超聲波信號(hào)圖。

圖5是小孔深度計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1和圖2所示，本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，是由監(jiān)測主機(jī)1、跟隨裝置2及信號(hào)線3構(gòu)成，跟隨裝置2由連接桿21、鎖緊螺栓22、支撐桿23、保持架24、導(dǎo)向輪25、壓緊彈簧26和超聲波探頭27構(gòu)成，保持架24通過支撐桿23和鎖緊螺栓22與連接桿21連接，保持架24的端部樞接導(dǎo)向輪25，超聲波探頭27活動(dòng)穿設(shè)在保持架24中，超聲波探頭27上套設(shè)有壓緊彈簧26，壓緊彈簧26兩端分別擠壓在超聲波探頭27凸緣和保持架24之間，超聲波探頭27通過信號(hào)線3與監(jiān)測主機(jī)1相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，監(jiān)測主機(jī)1通過數(shù)據(jù)總線與焊接設(shè)備控制器相連，實(shí)現(xiàn)焊接啟動(dòng)、結(jié)束狀態(tài)指令的傳輸；跟隨裝置2通過連接桿21與激光焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)剛性連接，在焊接過程中，跟隨裝置2隨著激光頭4同步運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測方法：

如圖2所示，在焊接過程中，激光頭4位于工件5正面施焊，超聲波探頭27位于激光頭4的正前方，圖2所示的箭頭為焊接方向，在壓緊彈簧26的壓緊作用下緊貼著工件5的反面，由于小孔6焊接方向的前端始終存在巨大的溫度梯度，從而致使其周圍尚未熔化的金屬產(chǎn)生瞬間熱應(yīng)力。該熱應(yīng)力通過固態(tài)金屬向四周傳播從而形成應(yīng)力波即超聲波A，圖3所示，激光束B、溶化金屬C、焊縫D。在線監(jiān)測裝置通過對(duì)此應(yīng)力波的實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲取應(yīng)力波到達(dá)超聲波探頭27的時(shí)間，從而對(duì)小孔6的深度進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。計(jì)算式如下：

L＝t×Vu

$T=T1+T2-\sqrt{L^2-D^2}$

式中，L為小孔6底部與超聲波探頭27直線距離，D為小孔6中心與超聲波探頭27中心的縱向距離，t為應(yīng)力波(超聲波)到達(dá)超聲波探頭27的時(shí)間，Vu為超聲波在金屬材料的傳播速度，T1為上層板51的厚度，T2為下層板52的厚度，T為小孔6深度，如圖4和圖5所示。

在線監(jiān)測裝置啟動(dòng)后，首先進(jìn)行超聲參數(shù)的初始化工作，加載預(yù)存的增益、濾波等設(shè)置參數(shù)，然后等待焊機(jī)發(fā)送來的焊接啟動(dòng)指令。焊接開始后，在線監(jiān)測裝置自動(dòng)采集超聲波探頭27所捕捉到的超聲波信號(hào)，計(jì)算波頭到達(dá)超聲波探頭27的時(shí)間t，并根據(jù)公式計(jì)算小孔深度T。在線監(jiān)測裝置持續(xù)地將計(jì)算得到的深度數(shù)據(jù)顯示于軟件主界面，同時(shí)存儲(chǔ)于內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監(jiān)測過程，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。在接收到下一個(gè)焊接開始指令后重復(fù)上述過程，最終完成所有焊縫的熔深監(jiān)測。

具體實(shí)例：

下面以軌道客車不銹鋼車體的激光焊熔深監(jiān)測為例進(jìn)行說明：

(1)、監(jiān)測主機(jī)1采用基于Windows系統(tǒng)的一體化工業(yè)電腦，內(nèi)置有超聲信號(hào)采集卡。超聲波信號(hào)的增益范圍-20～80dB，低通濾波范圍0～20MHz，最大采用率160MHz。超聲波探頭27采用筆式聚焦探頭，外殼直徑Φ8mm，中心頻率10MHz，聚焦深度10mm。超聲波探頭27前端集成有耐磨損、耐高溫的延遲塊，其與金屬板的接觸尺寸為Φ3mm。超聲波探頭27與監(jiān)測主機(jī)1之間采用同軸電纜連接，線徑4mm，阻抗50Ω。監(jiān)測主機(jī)1與焊接設(shè)備控制器之間采用RS232串口總線連接，實(shí)現(xiàn)焊接啟動(dòng)、結(jié)束狀態(tài)指令的傳輸。RS232串口采用雙工通信，波特率：9600bps，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1。

(2)、跟隨裝置2由連接桿21、鎖緊螺栓22、支撐桿23、保持架24、導(dǎo)向輪25、壓緊彈簧26和超聲波探頭27構(gòu)成，連接桿21長度800mm，上端采用緊固件與激光頭4相連接。壓緊彈簧26套在超聲波探頭27殼體上，壓緊彈簧26兩端分別擠壓在超聲波探27凸緣和保持架24之間。壓緊彈簧26中徑10mm，簧條直徑0.8mm，長度30mm，工作狀態(tài)的壓緊力為5N。超聲波探頭27中心距激光束中心的縱向距離D為5mm。

(3)、接頭型式為非熔透型搭接接頭，上層板51厚度1.2mm，下層板52厚度2mm。激光功率2kW，斑點(diǎn)直徑Φ0.6mm，焊接速度20mm/s，離焦量0。焊接材料為SUS301L不銹鋼，超聲波在其內(nèi)部的傳播速度為5760m/s。

(4)、在線監(jiān)測裝置啟動(dòng)后，首先進(jìn)行超聲參數(shù)的初始化工作，加載預(yù)存的增益、濾波等設(shè)置參數(shù)，然后等待焊機(jī)發(fā)送來的焊接啟動(dòng)指令。焊接開始后，在線監(jiān)測裝置自動(dòng)采集超聲波探頭27所捕捉到的超聲波信號(hào)，計(jì)算波頭到達(dá)超聲波探頭27的時(shí)間t，并根據(jù)公式計(jì)算小孔深度T。在線監(jiān)測裝置持續(xù)地將計(jì)算得到的深度數(shù)據(jù)顯示于軟件主界面，同時(shí)存儲(chǔ)于內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監(jiān)測過程。

在本實(shí)例所述的正常工藝條件下，接頭的平均熔深為2.2mm。監(jiān)測結(jié)果表明，超聲波波頭到達(dá)超聲波探頭27的時(shí)間為0.89μs，計(jì)算熔深為2.07mm，監(jiān)測精度可以達(dá)到±0.2。