[發明專利]基于光譜分析的激光焊T型搭接接頭間隙的在線檢測方法

有效

• 申請號: 201410080669.6
• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103878479A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 孟威;李鑄國;蘆鳳桂;張軻;黃堅;吳毅雄
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23K26/03
• 分類號: B23K26/03;G01B11/14
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及焊接技術領域，特別涉及一種基于光譜分析的激光焊T型搭接接頭間隙的在線檢測方法。

背景技術

激光焊接由于具有深寬比大、熱影響區、熱變形小以及生產效率高等優點，且隨著激光器件的發展，激光束品質和功率都有很大提高，已經被越來越多地被應用于工業生產中。在激光焊接過程中伴隨著多種光、聲、熱、電輻射現象，這些信號包含著與焊接過程和焊接質量相關的許多信息。其中，激光焊等離子的動態變化與焊接過程穩定性和缺陷的產生有相當大的關系，同時，光致等離子體與熔池和小孔又有緊密聯系，彼此影響，共同決定了焊接過程的穩定性和焊接質量。實時檢測等離子體在焊接過程的動態變化和物理過程特征，能夠揭示焊接過程的物理機制，指導焊接生產并改善焊接質量。

激光焊T型搭接接頭是一種新型的搭接接頭型式，采用激光焊接優勢明顯，目前對其相關的研究較少。在深熔搭接焊T型接頭過程中受試樣加工精度、夾具和焊接變形的影響，上下板間隙很難避免。而間隙的存在必將影響焊接過程的穩定性，引起焊接缺陷的產生。等離子體的動態變化與間隙也必有一定的聯系。因此，對間隙進行實時檢測，就能控制激光搭接焊接過程的穩定性和焊接質量，開發適用于激光搭接焊間隙的檢測和跟蹤技術，已成為能否保證激光焊T型搭接接頭焊接質量的關鍵。

光輻射是激光焊接中最明顯、最基本的一種物理現象，它是等離子體在該時刻的物理狀態的一種宏觀表現。焊接等離子體強度與其內部溫度、粒子密度和成分等參量有著緊密的聯系，即光譜強度與等離子體內部熱力學系統的全部狀態參量有關。光譜檢測的原理是：使用光譜儀將等離子體光輻射分解為光譜，根據譜圖特征與等離子體內部參數間的聯系反映等離子體內部的物理狀態。光譜檢測法有著很多優點：(1)?信息量豐富。光譜譜線是由光輻射電磁波分解中得到的，每種元素均有其特定波長的特征譜線分布。(2)?靈敏度高、選擇性好。不同元素的譜線是相應原子或離子的外層電子在能級間躍遷發出的，它與元素內部電子排布相關，在光譜譜圖中具有固定波長，有很高的靈敏度。光譜數據信號多，可用于分析的線譜數量多，選擇性好。(3)?可進行整體頻域和單一譜線時域的檢測。(4)?采用非侵入式方法，不干擾等離子體。光譜法是間接測量，與被測對象無任何光電的干擾，增強了試驗的客觀性和準確性。(5)?時空分辨率高。借助于采集系統，可以獲得較高時間、空間分辨率的光譜譜圖，這為光譜信息應用創造條件。

目前，采用視覺傳感技術和光譜分析技術對激光焊接過程產生等離子體的研究較多，而采用光譜分析法檢測激光搭接焊間隙相關研究還沒有發現。如，名為“激光搭接焊過程間隙的檢測”(宮本勇等，激光工程，1996年，第24卷，第9期，67-69頁)一文中，Isamu?MIYAMOTO等人利用光電二極管檢測了激光搭接焊汽車板過程中孔內等離子體和孔外等離子體信號強度與間隙量的關系，該研究發現等離子體光發射交流信號的頻率大約達到了10kHz，而當間隙大于0.3mm，頻率為4-6?kHz時交流的均方值發生突變，孔內等離子體的信號強度和峰值頻率與間隙量都有很好的對應關系。此文中采用光電二極管采集的等離子體信號設備和原理較為復雜，且作者只是針對薄板和較小的間隙量進行檢測，沒有考慮更厚的鋼板和大間隙量情況。

在名為“激光焊等離子體相關分析”（T.Sibillano等，光學交流，2005年，第251卷，第1期，139-148頁）一文中，研究者采用光譜儀采集激光焊接等離子體信號，通過計算得到了等離子體發射光譜的自相關系數，并得到了焊接缺陷和光譜之間的聯系性，研究同時指出等離子體的光譜強度和焊縫成形之間的相關性不大。

中國專利申請號為201210124534.?6，發明名稱為“基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法”公開了一種基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法，該發明針對鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅層易氣化成大量鋅蒸氣，鋅蒸氣使得焊接過程易產生多種焊接缺陷，如焊縫氣孔、凹陷等的問題，在添加銅粉抑制鋅蒸氣產生的基礎上，利用焊接過程譜線Cu?I?324.?8nm的強度，實時檢測鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷，同時通過自動調整工藝參數控制焊接過程，避免焊接氣孔的出現。

發明內容

針對激光焊接T型搭接接頭技術領域，本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提出一種基于等離子體光譜分析的激光焊接T型搭接接頭間隙的在線檢測方法，實現對激光搭接焊間隙的檢測，保證焊接過程的穩定性和焊接質量。

本發明提出的基于等離子體光譜分析的激光焊接T型搭接接頭間隙的檢測方法包括如下步驟：