[發明專利]一種搭接激光焊熔透狀態在線監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201610886963.5
• 申請日: 2016-10-12
• 公開（公告）號: CN106312312B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 段珍珍;孫立權;王毅;賈坤寧;張曉慶
• 申請（專利權）人: 長春工程學院
• 主分類號: B23K26/21
• 分類號: B23K26/21;B23K26/70;B23K31/12
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙)22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明涉及汽車、軌道客車、航空航天、制藥裝備等技術領域的一種搭接激光焊熔透狀態在線監測技術，屬于焊接質量控制領域。

背景技術

近年來，隨著汽車、軌道客車等制造領域對薄板焊接部件質量及生產效率要求的不斷提高，激光焊工藝以其高效、小變形等優勢而得以廣泛應用。但是，激光焊工藝對工件的組對間隙、裝夾精度等條件要求較高，否則極易造成未熔透、成型不良等質量問題。因此，激光焊過程的在線監測，尤其是熔透狀態監測問題一直是焊接工作者關注的熱點，同時也是汽車、軌道客車等制造領域亟需解決的重點問題。

目前，激光焊過程的熔透狀態監測大多采用基于等離子體的聲光特性監測法和基于小孔表面特征的直接圖像監測法。前者通過建立熔透狀態與等離子體聲光特性的數學模型，以聲光信號為監測對象間接反映焊接過程的穩定性。后者則通過視覺傳感器實時捕捉小孔二維圖像,并根據其幾何特征對接頭內部的熔透狀態進行評估。這些方法雖然能夠提供一定的質量信息，但是其設備復雜，且存在抗干擾能力差、適用范圍窄等問題，因而其進一步的推廣和應用受到了極大的制約。監測技術的創新升級是解決上述問題的重要選擇對策。

發明內容

本發明的目的是提供一種搭接激光焊熔透狀態在線監測裝置及方法，針對現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生的超聲波為對象，對焊接過程中工件的熔透狀態進行監測和評估，確保其達到焊接接頭的設計及工藝要求，最終實現薄板搭接激光焊接頭質量的在線監測。

本發明之搭接激光焊熔透狀態在線監測裝置，是由監測主機、跟隨裝置及信號線構成，跟隨裝置由連接桿、鎖緊螺栓、支撐桿、保持架、導向輪、壓緊彈簧和超聲波探頭構成，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向輪，超聲波探頭活動穿設在保持架中，超聲波探頭上套設有壓緊彈簧，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線與監測主機相連，實現信號的傳遞，監測主機通過數據總線與焊接設備控制器相連，實現焊接啟動、結束狀態指令的傳輸；跟隨裝置通過連接桿與激光焊設備實現剛性連接，在焊接過程中，跟隨裝置隨著激光頭同步運動。

本發明之搭接激光焊熔透狀態在線監測方法：

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生瞬間熱應力。該熱應力通過固態金屬向四周傳播從而形成應力波(超聲波)。在線監測裝置通過對此應力波的實時監測，獲取應力波到達超聲波探頭的時間，從而對小孔的深度進行計算和評估。計算式如下：

L＝t×Vu

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為應力波(超聲波)到達超聲波探頭的時間，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。

在線監測裝置啟動后，首先進行超聲參數的初始化工作，加載預存的增益、濾波等設置參數，然后等待焊機發送來的焊接啟動指令。焊接開始后，在線監測裝置自動采集超聲波探頭所捕捉到的超聲波信號，計算波頭到達超聲波探頭的時間t，并根據公式計算小孔深度T。在線監測裝置持續地將計算得到的深度數據顯示于軟件主界面，同時存儲于內置的數據庫內，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監測過程，然后進入等待狀態。在接收到下一個焊接開始指令后重復上述過程，最終完成所有焊縫的熔深監測。

本發明的有益效果：

針對現階段薄板搭接激光焊接頭的焊接要求，本發明以激光深熔焊自身所產生的超聲波為對象，對焊接過程中工件的熔透狀態進行監測和評估，確保其達到焊接接頭的設計及工藝要求，最終實現了薄板搭接激光焊接頭質量的在線監測。

附圖說明

圖1是搭接激光焊熔透狀態在線監測裝置結構示意圖。

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是超聲波信號圖。

圖5是小孔深度計算示意圖。

具體實施方式