[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

本發明涉及一種基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置及方法，屬于焊接質量控制領域。裝置包括監測儀、分離式超聲導波激勵接收模塊、電聲耦合狀態控制模塊及信號線，所述分離式超聲導波激勵接收模塊實現對超聲信號的激勵及超聲導波信號的接收，所述電聲耦合狀態控制模塊通過對電磁激勵超聲換能器與被焊工件之間的間距測量及控制，確保電磁激勵超聲換能器與被焊工件上表面之間恒定的電聲耦合。優點在于：針對搭接激光焊的焊接質量要求，本發明以激光深熔焊自身所產生的小孔為對象，通過監測小孔對板材內傳播的超聲導波信號的影響，實現焊接過程中工件熔透狀態的實時計算和監測，確保焊接質量達到焊接接頭的設計及工藝要求。

技術領域

本發明涉及焊接質量控制領域，特別涉及裝備制造過程中結構件焊接技術領域的一種激光焊搭接接頭熔透狀態實時監測技術，尤指一種基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置及方法。

背景技術

隨著裝備制造領域焊接技術的快速發展，激光焊作為一種高效、高質量的焊接工藝其應用范圍越來越廣泛。但是，激光焊過程中的熔透控制技術，一直是影響焊接質量的重要問題，同時也是各裝備制造企業及科研機構所關注的熱點。

激光深熔焊過程中，材料表面在激光的高能加熱作用下產生了劇烈的蒸發及汽化，形成強大的金屬蒸汽壓，從而在液態金屬熔池中形成小孔。激光通過孔中直射在孔底，小孔能將入射激光的絕大部分能量全部吸收，使得包圍孔腔的金屬熔化。小孔伴隨著激光束的焊接向前動態移動，熔化的金屬回填小孔留下的空間最終形成焊縫。因此，小孔的深度決定了激光深熔焊的熔深（熔透狀態）。目前，激光深熔焊過程的熔透狀態實時監測的關鍵在于如何快速、準確的識別小孔的深度。而例如采用視覺傳感、聲光信號傳感等技術原理的監測方法，一般只能間接地的推算小孔深度，且抗干擾能力差，在實際焊接生產過程中應用比較困難，亟待改進。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置及方法，解決了現有技術存在的上述問題。本發明以激光深熔焊過程中所產生的小孔作為監測對象，通過提取能夠表現小孔深度的超聲導波信號特征值，并以此作為激光焊熔透狀態的指標，實現搭接激光焊過程中熔透狀態的實時監測。在搭接接頭的激光深熔焊過程中，激光斑點處所產生的小孔可以看做焊接過程中板材內部的一個臨時的、動態的“缺陷”，而采用超聲導波的方式對其進行計算和評估，從而實現深熔焊過程熔透狀態的實時監測，則是本發明要達到的目的。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測裝置，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連接桿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。

本發明的另一目的在于提供一種基于超聲導波的激光焊熔透狀態實時監測方法，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；