[發明專利]基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201810077215.1
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108213707B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發明（設計）人: 徐惠妍;谷曉鵬;董娟;王海龍
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23K26/21
• 分類號: B23K26/21;B23K26/70
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

1.一種基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置，其特征在于：包括監測儀（1）、分離式超聲導波激勵接收模塊（2）、電聲耦合狀態控制模塊（3）及信號線（4），所述分離式超聲導波激勵接收模塊（2）實現對超聲信號的激勵及超聲導波信號的接收，其結構由電磁激勵超聲換能器（21）和電磁接收超聲換能器（22）組成，分別懸掛在電聲耦合狀態控制模塊（3）的下端兩側；

所述電聲耦合狀態控制模塊（3）通過對電磁激勵超聲換能器（21）與被焊工件（6）之間的間距測量及控制，確保電磁激勵超聲換能器（21）與被焊工件（6）上表面之間恒定的電聲耦合，其結構包括直線電機（31）、電機座（32）、連接座（33）、U型連接支座（34）、直線導軌（35）、懸吊支架（36）及激光測距傳感器（37），所述直線電機（31）通過電機座（32）安裝在激光焊機的激光頭（5）上；U型連接支座（34）與懸吊支架（36）裝配在一起構成剛性支撐結構，通過直線導軌（35）與激光頭（5）相連接，直線電機（31）的推桿頭部與固定在U型連接支座（34）上的連接座（33）相連接；在直線電機（31）的帶動下，U型連接支座（34）和懸吊支架（36）沿激光頭（5）垂直方向上下運動；激光測距傳感器（37）安裝在懸吊支架（36）的一端，測量電磁激勵超聲換能器（21）與被焊工件（6）上表面之間的距離。

2.根據權利要求1所述的基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置的監測方法，其特征在于：具體步驟是：在焊接過程中，激光頭（5）位于被焊工件（6）正面施焊，電磁激勵超聲換能器（21）與電磁接收超聲換能器（22）分別懸掛在激光頭（5）的兩側，隨著激光頭（5）的施焊同步向前運動；電磁激勵超聲換能器（21）中心、激光斑點/小孔（61）、電磁接收超聲換能器（22）中心三者構成一條與焊縫（62）長度方向垂直的直線；

焊接開始后，電磁激勵超聲換能器（21）在監測儀（1）的控制下在被焊工件（6）上表面連續地激發出超聲波，且此超聲波在板材上下表面不斷的反射、折射及波形轉換并形成導波；導波在板材內向四周傳播，當其通過激光斑點/小孔（61）位置時，由于激光斑點/小孔（61）的存在，會對導波產生一定的影響，即反射、折射和衰減；電磁接收超聲換能器（22）接收到達的導波信號，并將其轉換為電信號，通過信號線（4）傳輸至監測儀（1）；監測儀（1）提取能夠反映激光斑點/小孔（61）幾何尺寸的信號特征，并計算當前時刻的激光斑點/小孔深度，最終實現熔透狀態的實時監測；激光斑點/小孔深度計算公式如下：

H=T×（A/A₀）×k

式中， T為被焊工件（6）的上層板（63）的厚度，H為激光斑點/小孔（61）的深度，A₀為激光斑點/小孔（61）的深度為零時導波信號中的特征幅值，A為激光斑點/小孔（61）的深度為H時導波信號中的特征幅值，k為根據測試結果標定的修正系數。

3.根據權利要求2所述的基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置的監測方法，其特征在于：電聲耦合狀態控制模塊（3）端部懸掛的激光測距傳感器（37）不斷測量電磁激勵超聲換能器（21）、電磁接收超聲換能器（22）與被焊工件（6）上表面的高度，并與標準值進行比較，計算高度值的瞬時變化量，并通過直線電機（31）對變化量進行修正補償，確保電磁激勵超聲換能器（21）、電磁接收超聲換能器（22）所激勵出的超聲導波信號強度恒定，從而實現激光斑點/小孔（61）深度的精確計算與監測。