本發(fā)明涉及激光焊接質(zhì)量在線診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光譜信息的激光焊接缺陷的在線診斷方法。

背景技術(shù)：

激光焊接以高能量密度的激光作為熱源，使金屬熔化形成焊接接頭，是一種高效精密焊接方法。近年來，隨著航空航天、汽車、微電子、輕工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品零件的形狀越來越復雜，對焊接構(gòu)件的表面形狀和變形的要求也越來越高，傳統(tǒng)的焊接方法難以滿足其需要，為此激光焊得到了廣泛的重視。為了提高激光焊接的效率，減少焊接接頭的缺陷，焊接缺陷在線診斷方法不可或缺，傳統(tǒng)的離線檢測方法費時費力還需要專業(yè)的設(shè)備與相關(guān)的操作人員。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于光譜信息的激光焊接缺陷的在線診斷方法，以便快速準確的判斷出激光焊接過程中是否存在焊接缺陷。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于光譜信息的激光焊接缺陷的在線診斷方法，其中在線診斷裝置包括光纖探頭，所述光纖探頭經(jīng)光纖與光纖光譜儀相連接，所述光纖光譜儀還與計算機相連接，所述光纖探頭經(jīng)由機械萬向桿固定在激光頭上，所述方法包括以下步驟：

步驟1、調(diào)整所述光纖探頭的位置；

步驟2、當激光焊接過程開始時，通過光纖探頭采集激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體中的光信號，并將光纖光譜儀中形成的光譜信息傳輸至計算機中；

步驟3、從計算機的顯示界面上實時觀察上述光譜信息的頻域分布圖中各譜線的相對強度隨時間的波動情況，以確定作為分析對象的特征譜線；

步驟4、在采集過程的任意時刻，利用所選特征譜線的相對強度計算光致等離子體的電子溫度，以獲得電子溫度隨時間的變化曲線；

步驟5、根據(jù)待焊件的材料以及尺寸，使用不同的焊接參數(shù)進行焊接，選擇使電子溫度時域變化的標準差最小的參數(shù)作為最優(yōu)焊接參數(shù)；

步驟6、在最優(yōu)焊接參數(shù)下對n個待焊件進行焊接，通過計算機記錄各待焊件在激光焊接過程中產(chǎn)生光致等離子體的電子溫度時域圖；

步驟7、根據(jù)步驟6中的各電子溫度時域圖，獲得spc控制圖；

步驟8、根據(jù)實際情況調(diào)整焊接參數(shù)，對待焊件進行激光焊接；

步驟9、當激光焊接過程開始時，通過光纖探頭采集激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體中的光信號，通過光纖光譜儀將形成的光譜信息傳至計算機，選取步驟3中的特征譜線作為特征譜線，通過所選特征譜線計算光致等離子體的電子溫度，得到電子溫度時域圖，將其稱作測試時域圖；

步驟10、在激光焊接的過程中，通過計算機將測試時域圖實時繪入spc控制圖中，判斷測試時域圖中的各個點是否超出spc控制圖的上下界限；

步驟11、如果否，則不存在焊接缺陷；

步驟12、如果是，判斷是否存在連續(xù)a個點中有連續(xù)a個點超出了spc控制圖的上下界限，其中a和a的取值取決于缺陷判斷的靈敏度；

步驟13、如果否，則不存在焊接缺陷；

步驟14、如果是，則存在焊接缺陷。

優(yōu)選的是，所述光纖探頭配以col-uv/vis準直透鏡。

優(yōu)選的是，所述光纖光譜儀的分辨率不低于0.1nm。

優(yōu)選的是，在所述步驟1中，將所述光纖探頭設(shè)置在距激光束在待焊件上的入射點15～20cm，并且高出待焊件上表面7.5～10cm的位置，同時保證所述光纖探頭采集激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體。

優(yōu)選的是，在所述步驟4中，采用玻爾茲曼圖法或者二譜線法計算光致等離子體的電子溫度。

優(yōu)選的是，在所述步驟7中，獲得spc控制圖包括以下步驟：

步驟71、將所述步驟6中的n個電子溫度時域圖的數(shù)據(jù)分為若干子組，同一時刻不同焊道的數(shù)據(jù)為一子組；

步驟72、對各子組內(nèi)的電子溫度數(shù)據(jù)求取算術(shù)平均值，將該算術(shù)平均值作為每個子組的值；

步驟73、對各個子組的值求取算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值即為spc控制圖中的中心線；

步驟74、對每個子組內(nèi)的電子溫度數(shù)據(jù)求取標準差，稱之為子組標準差；

步驟75、對所有的子組標準差求取算術(shù)平均值，得到整體標準差；

步驟76、通過在中心線的值上加或者減相應倍數(shù)的整體標準差以獲得spc控制圖中的控制上限或控制下限的值，其中所述倍數(shù)根據(jù)子組內(nèi)樣本個數(shù)查spc控制圖系數(shù)表可得。

本發(fā)明的該方案的有益效果在于上述基于光譜信息的激光焊接缺陷的在線診斷方法建立了特定的量化標準來判斷焊接過程中缺陷的存在與否，該在線診斷方法可以十分準確地獲得光致等離子體的光譜信息，并快速準確的判斷激光焊接過程中是否存在缺陷，以便應用于工業(yè)大批量生產(chǎn)中缺陷的在線診斷，并為實現(xiàn)缺陷種類的判斷和分類打下了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明所涉及的在線診斷裝置的原理示意圖以及激光焊接系統(tǒng)的簡圖。

圖2示出了本發(fā)明所涉及的在線診斷方法的步驟流程圖。

圖3(a)至圖3(d)分別示出了本發(fā)明第一實施例中的焊接接頭示意圖、光致等離子體相對強度與時間、波長相對應的空域圖、光致等離子體電子溫度隨時間變化的時域圖、對焊接質(zhì)量進行判定的spc控制圖。

圖4(a)至圖4(d)分別示出了理想焊縫、錯邊、焊穿、對接間隙變動狀態(tài)下的測試時域圖在spc控制圖中的分布情況。

圖5示出了本發(fā)明第二實施例中焊接接頭的示意圖。

圖6(a)和圖6(b)分別示出了本發(fā)明第二實施例中的焊穿、焊道分離狀態(tài)下的測試時域圖在spc控制圖中的分布情況。

附圖標記：1-光纖光譜儀，2-計算機，3-光纖探頭，4-機械萬向桿，5-工作臺，6-待焊件，7-激光束，8-ar保護氣，9-焊縫，10-光致等離子體，11-光纖，12-激光頭，a-錯邊區(qū)域，b-待焊件中心減薄導致的焊穿區(qū)域，c-對接間隙變動導致未焊合區(qū)域，d-墊片，e-鍍鋅鋼板，f-焊接速度減慢導致的焊穿區(qū)域，g-焊道分離區(qū)域。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明所涉及的在線診斷裝置包括光纖探頭3，所述光纖探頭3經(jīng)光纖11與光纖光譜儀1相連接，所述光纖光譜儀1還與計算機2相連接；其中所述光纖探頭3經(jīng)由機械萬向桿4固定在激光頭12上，所述光纖探頭3的角度和高度可以根據(jù)需求調(diào)整以便對準激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體采集信息。

激光焊接系統(tǒng)屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此只給出簡圖進行簡要說明，如圖1所示，激光焊接系統(tǒng)包括工作臺5，待焊件6放置于所述工作臺5上，待焊件6兩側(cè)通過夾具(圖中未示出)夾緊在工作臺5上，激光束7垂直照射在待焊件6表面，熔化母材金屬形成接頭，實現(xiàn)激光焊接過程，在焊接的過程中將ar保護氣8以一定的流量進行輸送，以防止焊縫9及其鄰近區(qū)域在激光焊接時被氧化。

在本實施例中，所述激光束7由德國ipgphotonics公司生產(chǎn)的yls-6000型光纖激光器產(chǎn)生，所述激光器的最大輸出功率為6000w，波長為1060～1070nm，光束質(zhì)量bpp≥4.0，焊接過程運動執(zhí)行系統(tǒng)采用kuka公司生產(chǎn)的krc-60ha型六軸聯(lián)動機械手，焊接時保護氣體為側(cè)向送氣。所述光纖光譜儀1采用avaspec-uls2048-8-usb2多通道型光纖光譜儀，該光纖光譜儀的分辨率為0.052±0.001nm，可測波長范圍200～1100nm。所述光纖探頭3配以col-uv/vis準直透鏡。

本發(fā)明所涉及的基于光譜信息的激光焊接缺陷的在線診斷方法的步驟流程如圖2所示，所述方法包括以下步驟：

步驟1、調(diào)整所述光纖探頭3的位置。將所述光纖探頭3設(shè)置在距所述激光束7在待焊件6上的入射點15～20cm，并且高出待焊件6上表面7.5～10cm的位置，同時保證所述光纖探頭3的位置能夠采集激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體10；如圖2中步驟s101所示。

步驟2、當激光焊接過程開始時，通過光纖探頭3采集激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體10中的光信號，并將光纖光譜儀1中形成的光譜信息傳輸至計算機2中，如圖2中步驟s102所示。在具體的采集過程中，根據(jù)待焊件6的材料以及該材料的焊接速度確定在線診斷裝置的采樣頻率。

步驟3、從計算機2的顯示界面上實時觀察上述光譜信息的頻域分布圖中各譜線的相對強度隨時間的波動情況，以確定作為分析對象的特征譜線，如圖2中步驟s103所示。其中所述特征譜線的選擇有如下要求：有足夠的分辨率，信噪比高，特征明顯等。

步驟4、在采集過程的任意時刻，利用所選特征譜線的相對強度計算光致等離子體10的電子溫度，以獲得電子溫度隨時間的變化曲線，如圖2中步驟s104所示。

為了計算光致等離子體10的電子溫度，可以采用玻爾茲曼圖法或者二譜線法。其中玻爾茲曼圖法是通過多條選定波長的特征譜線來計算電子溫度的方法，如公式所示，其中imn為特征譜線的相對強度(假設(shè)特征譜線由m能級向n能級的躍遷產(chǎn)生)、amn為躍遷概率、gmn為統(tǒng)計權(quán)重、λmn為特征譜線的波長、z為配分函數(shù)、h為普朗克常量、n為粒子的總數(shù)密度、c為光速、k為boltzmann常數(shù)、em為能級m的能量(以基態(tài)能級能量為零作基準)。可見以能級em作為橫坐標，以作為縱坐標，若將各選定的特征譜線的各個參數(shù)代入上述橫坐標以及縱坐標，則會得到相應組數(shù)的橫縱坐標(即一條特征譜線對應一組橫縱坐標)，用最小二乘法把這些點擬合為一條直線，其擬合出的直線斜率為這樣由斜率便可以計算出電子溫度t。

二譜線法是一種精度稍低但計算簡單的電子溫度求解方法，如公式所示，其中i為特征譜線的相對強度(其中1代表選定的第一條特征譜線，2代表選定的第二條特征譜線)、a為躍遷概率、gm為統(tǒng)計權(quán)重、λ為特征譜線的波長、k為boltzmann常數(shù)、em為能級m的能量(以基態(tài)能級能量為零作基準)，可見通過二譜線法僅需同種粒子任何兩條特征譜線的比值、能極差和其部分參數(shù)即可求得電子溫度t。

步驟5、根據(jù)待焊件6的材料以及尺寸，使用不同的焊接參數(shù)進行焊接，選擇使電子溫度時域變化的標準差最小的參數(shù)為最優(yōu)焊接參數(shù)，如圖2中步驟s105所示。在最優(yōu)焊接參數(shù)下進行的激光焊接能夠形成良好的焊縫9，以此最優(yōu)焊接參數(shù)下的激光焊接處于穩(wěn)定受控狀態(tài)。

步驟6、在最優(yōu)焊接參數(shù)下對n個待焊件6進行焊接，通過計算機2記錄各待焊件6在激光焊接過程中產(chǎn)生光致等離子體10的電子溫度時域圖，如圖2中步驟s106所示。

步驟7、根據(jù)步驟6中的各電子溫度時域圖，獲得spc控制圖，如圖2中步驟s107所示。

具體的獲得spc(statisticalprocesscontrol，統(tǒng)計過程控制)控制圖的過程如下：假設(shè)在最優(yōu)焊接參數(shù)下對五個待焊件6進行焊接，將采集的五次焊接的電子溫度時域圖的數(shù)據(jù)分為若干子組，同一時刻不同焊道的數(shù)據(jù)列為一子組，從而使得不同時刻各焊道的數(shù)據(jù)分成不同的子組，從而將五次焊接得到的電子溫度時域圖的數(shù)據(jù)分為若干子組。例如第一次焊接采得的第一個點至第五次焊接采得的第一個點歸為一子組，以此類推，在五次焊接的情況下，每個子組有五個點。

之后先對各子組內(nèi)的電子溫度數(shù)據(jù)求取算術(shù)平均值，將算術(shù)平均值作為每個子組的值，再對各個子組的值求取算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值即為spc控制圖中的中心線；對每個子組內(nèi)的數(shù)據(jù)求取標準差，稱之為子組標準差，然后對所有的子組標準差求取算術(shù)平均值，可得到整體標準差。spc控制圖中的控制上限或控制下限的值通過在中心線的值上加或減一定倍數(shù)的整體標準差可得，所述倍數(shù)與子組的大小有關(guān)(子組的大小即子組內(nèi)焊道的數(shù)量，在本實施例中，子組的大小為五)，根據(jù)子組內(nèi)樣本個數(shù)(也就是焊道的個數(shù))查spc控制圖系數(shù)表可得倍數(shù)，當子組的大小調(diào)整時，這個倍數(shù)必須隨之調(diào)整，由此可得到spc控制圖的三條線。

步驟8、根據(jù)實際情況調(diào)整焊接參數(shù)，對待焊件6進行激光焊接，如圖2中步驟s108所示。

步驟9、當激光焊接過程開始時，通過光纖探頭3采集激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體10中的光信號，通過光纖光譜儀1將形成的光譜信息傳至計算機2，選取步驟3中的特征譜線作為特征譜線，通過所選特征譜線計算光致等離子體10的電子溫度，得到電子溫度時域圖，將其稱作測試時域圖，如圖2中步驟s109所示。其中所述在線診斷裝置的采樣頻率與步驟2中的采樣頻率一致。

步驟10、在激光焊接的過程中，通過計算機2將測試時域圖實時繪入spc控制圖中；判斷測試時域圖中的各個點是否超出spc控制圖的上下界限，如圖2中步驟s110所示。

步驟11、如果否，則不存在焊接缺陷，如圖2中步驟s111所示。

步驟12、如果是，判斷是否存在連續(xù)a個點中有連續(xù)a個點超出了spc控制圖的上下界限，如圖2中步驟s112所示。其中，a和a的取值與缺陷判斷的靈敏度有關(guān)。

步驟13、如果否，則不存在焊接缺陷，如圖2中步驟s113所示。

步驟14、如果是，則存在焊接缺陷，如圖2中步驟s114所示。其中缺陷的位置與越過界限的點對應的焊縫位置相同。

實施例1

在本實施例中，所述待焊件6采用304不銹鋼，待焊件6的尺寸大小為100×50×3mm，焊接接頭的形式及激光焊接形成的焊縫示意圖如圖3(a)所示，在焊接過程中用ar保護氣8進行保護。

調(diào)整光纖探頭3的位置，在激光焊接過程中，使所述光纖探頭3采集波長處于200～1100nm的光致等離子體中的光信號，并將光纖光譜儀1中形成的光譜信息傳輸至計算機2中，通過對上述光譜信息進行比較，確定采用318～420nm譜段進行分析，從而在所選譜段中采集反映波長、時間與強度關(guān)系的空域圖，如圖3(b)所示。對采集得到的空域圖，基于分辨率高、輪廓要好、靈敏度高、相對強度適中、譜線較近等原則，選出特征譜線fei375.8nm、fei384.0nm、fei385.9nm、fei387.2nm、fei387.8nm、fei388.6nm，獲得焊接過程中光譜的相對強度隨時間變化的時域圖。根據(jù)選擇的特征譜線，在光譜采集的任意時刻，通過玻爾茲曼圖法計算得到電子溫度，從而建立起電子溫度隨時間的變化曲線，如圖3(c)所示。

固定焊接速度v＝2m/min不變，采用不同的焊接參數(shù)進行焊接，通過上述方法得到不同焊接參數(shù)下電子溫度隨時間變化的時域圖，計算電子溫度隨時間變化的標準差。此時，選出焊縫表面成形良好且電子溫度時域變化的標準差處于最小值時的焊接參數(shù)，視為穩(wěn)定受控狀態(tài)下的最優(yōu)焊接參數(shù)，此時激光功率p＝2600w，離焦量為+0mm，ar保護氣流量為20l/min。在最優(yōu)焊接參數(shù)下對五個待焊件6進行焊接，確保焊接過程中沒有受到意外擾動，且焊縫成形良好，通過計算機2記錄各待焊件6在激光焊接過程中產(chǎn)生光致等離子體10的電子溫度時域圖，并根據(jù)各電子溫度時域圖，獲得spc控制圖，如圖3(d)所示。

得到spc控制圖之后，通過改變焊接參數(shù)或改變待焊件6的裝夾狀態(tài)而刻意制造焊接缺陷，以此測試spc控制圖對焊接缺陷的判別能力。

如圖4(a)所示，第一條焊縫是在上述最優(yōu)焊接參數(shù)下焊得的，可見其表面成形良好，在spc控制圖中可見焊接過程中的電子溫度始終沒有連續(xù)的點超過spc控制圖的上下界限，可見沒有出現(xiàn)焊接缺陷，因此spc控制圖與實際焊接成型實物判斷一致。

改變待焊件6的裝夾狀態(tài)，使得待焊件6右端錯邊形成錯邊區(qū)域a，然后進行激光焊接，以模擬實際生產(chǎn)中裝夾不合適而出現(xiàn)錯邊的情況，得到的焊縫及其對應的spc控制圖如圖4(b)所示，由圖可見，右端錯邊區(qū)域a的焊縫對應的電子溫度變化明顯，超出spc控制圖的上下界限。

將待焊件6中心打薄，不改變焊接參數(shù)進行激光焊接，以模擬實際生產(chǎn)過程中工件厚度不均勻的情況，如圖4(c)所示，從焊縫圖像上可見，中心區(qū)域由于打薄出現(xiàn)了明顯的焊穿現(xiàn)象，即形成了待焊件中心減薄導致的焊穿區(qū)域b，而在spc控制圖中對應位置的電子溫度顯著超出了控制下限，表明此處發(fā)生了焊接缺陷，這與實際焊接狀況相對應。

再次改變待焊件6的裝夾狀態(tài)，使得對接的待焊件6對接間隙發(fā)生變化，以模擬實際生產(chǎn)中裝夾不合適造成對接間隙的變動，然后進行激光焊接，如圖4(d)所示，從焊縫圖像上可見，當對接間隙過大時導致未焊合的缺陷，即形成了對接間隙變動導致未焊合區(qū)域c，而spc控制圖的對應位置有連續(xù)多個點的電子溫度低于控制下限，意味著發(fā)生了焊接缺陷，這與實際焊縫成形一致。

實施例2

在本實施例中，所述待焊件6采用dx51d+z鍍鋅鋼板e，焊接接頭的形式采用預留間隙的搭接接頭，也就是在焊接接頭的兩端分別墊有墊片d，墊片d的大小根據(jù)實際需求而定，其焊接接頭及激光焊接形成的焊縫示意圖如圖5所示，焊接過程中采用ar保護氣進行保護。

固定焊接速度v＝2.5m/min不變，采用不同的焊接參數(shù)進行焊接，以確定最優(yōu)焊接參數(shù)，此時激光功率p＝3900w，間隙值為0.2mm，離焦量為+15mm，ar保護氣流量為20l/min。在最優(yōu)焊接參數(shù)下對五個待焊件6進行焊接，確保焊接過程中沒有受到意外擾動，且焊縫成形良好，通過計算機2記錄各待焊件6在激光焊接過程中產(chǎn)生光致等離子體10的電子溫度時域圖，并根據(jù)各電子溫度時域圖，獲得spc控制圖。

得到spc控制圖之后，通過改變焊接參數(shù)或者改變裝夾的狀態(tài)而刻意制造焊接缺陷，測試spc控制圖對焊接缺陷的判別能力。

改變焊接參數(shù)使得焊縫中心區(qū)域的焊接速度降低，如圖6(a)所示，從焊縫圖像上可見，中心區(qū)域由于降速出現(xiàn)了局部燒穿的現(xiàn)象，即形成了焊接速度減慢導致的焊穿區(qū)域f，在spc控制圖的相應區(qū)域的電子溫度顯著低于控制下限，表明此處發(fā)生了焊接缺陷，這與實際焊接情況吻合。

將預留間隙搭接接頭的間隙值調(diào)大然后進行激光焊接，如圖6(b)所示，從焊縫圖像上可見，由于間隙值調(diào)大，焊縫發(fā)生了明顯的焊道分離，即形成了焊道分離區(qū)域g，而在spc控制圖的多處焊道分離對應位置的電子溫度顯著低于控制下限，這意味著發(fā)生了焊接缺陷，可見spc控制圖的判別效果良好。

通過以上實施例可以得出以下結(jié)論：當測試時域圖始終處于spc控制圖的上下界限之間時，無焊接缺陷產(chǎn)生；當測試時域圖波動較大，但始終沒有足夠連續(xù)的點超出spc控制圖的控制上限或控制下限時，此時仍然沒有焊接缺陷產(chǎn)生；當測試時域圖有足夠數(shù)量連續(xù)的點超出了spc控制圖的控制上限或控制下限時，意味著此處出現(xiàn)了某種形式的焊接缺陷。

本發(fā)明所涉及的基于光譜信息的激光焊接缺陷的在線診斷方法建立了特定的量化標準來判斷焊接過程中缺陷的存在與否，該在線診斷方法可以十分準確地獲得光致等離子體的光譜信息，并快速準確的判斷激光焊接過程中是否存在缺陷，以便應用于工業(yè)大批量生產(chǎn)中缺陷的在線診斷，并為實現(xiàn)缺陷種類的判斷和分類打下了基礎(chǔ)。