一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法

1.本发明属于焊接过程监测技术领域，特别涉及一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法。


背景技术：

2.激光是20世纪60年代初出现的新光源，具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等优异特点。激光作为焊接热源，具有焊缝深宽比大、热影响区小、热变形小、热源形状易于控制、柔性好等独特优势。考虑到激光焊接技术在工业制造中应用的特殊性，高度集成的激光热源技术成为激光焊接领域最具有应用前景的焊接技术。
3.正由于激光具有能量密度高的特点，导致激光焊接过程不稳定，容易产生气孔、飞溅、驼峰效应、焊缝表面成形差等问题，且间隙适应性差等特点。激光-电弧复合焊接方法综合了激光与电弧各自的优点，具有激光焊接的高速度、高效率、低热输入和电弧焊接良好的侨联性等特点，并一定程度上抑制了焊接缺陷的产生，扩展了激光焊接的应用范围，因此吸引了人们的广泛关注。
4.激光-电弧复合焊接是一个涉及了熔池流动、金属蒸发、激光电弧能量耦合的复杂过程。在焊接过程中，母材吸收能量而形成熔融态金属，熔融态金属继续吸收激光能量而发生金属蒸发，而后激光作用处形成匙孔。激光-电弧复合焊接过程的不稳定状态主要由于匙孔内平衡、熔池内熔融金属的不规则流动以及金属蒸汽的不稳定状态引起的。还存在焊缝凹陷、气孔等缺陷。其中气孔的存在会破坏焊缝金属的致密性，削弱焊缝的有效工作截面，对接头的强韧性产生严重的破坏。并且由于气孔存在于焊缝内部，难以通过眼睛进行直观的观察，通常需要借助x射线、超声波等工具，这显然增加了检测的难度。
5.激光-电弧复合焊接中，金属等离子体富集与激光致小孔上方。金属等离子体为孔内喷发的金属蒸汽在电弧等离子体作用下电离形成。小孔的不稳定闭合势必将影响金属等离子体的数量。根据金属等离子体与电弧等离子体辐射的特征线状谱所处区域不同，本发明提出一种基于金属等离子体特征线状谱的激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法。利用金属辐射的特征线状谱确定孔内喷发金属蒸汽的强弱，根据该强弱识别深熔小孔是否坍塌，故而确定焊缝中该位置是否存在气孔。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对现有激光-电弧复合焊接过程中气孔监测难，监测设备贵等问题提供一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法以克服上述缺陷。其特征在于：所述原位测量系统由激光-电弧复合焊接系统、特征信号采集系统及信号处理系统组成。复合焊接时，深熔小孔内激光束直接作用于小孔前壁，当孔内激光致蒸汽喷发冲击小孔壁导致小孔坍塌形成气孔时，喷出小孔的蒸汽下降至该焊接参数下焊缝内无气孔焊接时的4/5；富集与小孔口的金属等离子体此时同步下降。数据采集系统采集到金属等离子体辐射的特征线状谱强度为该焊接参数下测量得到的最小强度，信号处理系统判断此处为气
孔。
7.所述的一种激光电弧-复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：激光器光纤激光器、碟片激光器、半导体激光、绿光激光器、蓝光激光器或nd-yag激光器；电弧为非熔化极电弧(tig电弧或者等离子体弧)或者熔化极电弧(mig或者mag)；电弧电源为直流或者交流或者脉冲或者变极性电源；该复合焊接方法可以另外附加填充焊丝；该复合方式使用旁轴复合或同轴复合。
8.所述的一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：所述特征信号采集系统的采集频率为500hz～20000hz；采集的特征线状谱的范围为100nm～700nm；使用窄带滤波片过滤焊接特征线状谱，使用双凸镜聚集焊接特征线状谱，双凸镜焦距应该大于50mm使用硅光电探测器采集焊接特征线状谱。采集区域位于激光致小孔口上方、距离板面高度为10mm。
9.所述的一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：所述信号处理系统内部集成有a/d转换电路、放大电路与低通滤波器。所述a/d转换电路使用的运算放大器是lmp7721，所述运算放大器，偏置电流达到20fa，开环增益为120db，带宽为17mhz。所述放大电路使用两级放大，放大倍数在103～109内可调节。所述低通滤波器使用的是opa189其失调电压是0.4μv品质因数为0.707。
10.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明是原位测量激光-电弧复合焊接过程中的气孔。一方面，与相较于现有焊接气孔的探测方式，本发明使用响应速度及快的硅光电探测器，提高了系统整体的响应时间减少了探测误差，能够更加准确的反应出焊接气孔的出现位置。另一方面，本发明使用模块化设计，能够很好的与现有的焊接系统相结合。此外，本发明使用单片机控制，系统结构简单、整体尺寸小、成本低廉、方便调节，并且使用滤波器减少了复合焊接过程中的电磁干扰。
附图说明
11.图1为小孔型气孔的形成过程；
12.图2为本发明的系统结构示意图；
13.图中，1.深熔小孔，2.激光束，3.熔池，4.激光致蒸汽，5.气泡，6.气孔，7.激光-电弧复合焊接系统，8.特征信号采集系统，9.信号处理系统。
具体实施方式
14.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
15.参见图1及图2所示，本发明使用ipg yls 6kw光纤激光器与yc-315tx直流tig焊机进行复合焊接。当激光-电弧复合焊接开始时，工件表面形成熔池3。在激光束2作用下，工件上形成深熔小孔1并且激光束2作用在深熔小孔1的前壁。随着工件的运动，当光斑中心位于深熔小孔1的底部时，小孔前壁表面激光致蒸汽4喷发冲击小孔后壁，形成气泡5，随着焊接的继续进行在工件内部形成气孔6。
16.激光-电弧复合焊接系统7使用工控机控制激光器、电弧焊机与运动系统进行复合焊接。焊接开始后特征信号采集系统8内部使用窄带滤波片对焊接特征线状谱进行有选择性的带通过滤获得带通信号，之后使用双凸镜将带通信号耦合进硅光电传感器内完成特征
信号的采集。信号处理系统9内部使用开环增益为120db，带宽为17mhz的跨组放大器对采集的特征信号进行a/d转换，之后使用两级放大电路放大转换后的信号，经过品质因数为0.707的低通滤波器后将信号输入给单片机。当焊缝内部有气孔时，信号处理系统9则在显示器上输出有气孔，否则输出正常。
17.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。


技术特征：
1.一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：原位测量系统由激光-电弧复合焊接系统、特征信号采集系统及信号处理系统组成；复合焊接时，深熔小孔内激光束直接作用于小孔前壁，当孔内激光致蒸汽喷发冲击小孔壁导致小孔坍塌形成气孔时，喷出小孔的蒸汽下降至该焊接参数下焊缝内无气孔焊接时的4/5；富集与小孔口的金属等离子体此时同步下降；数据采集系统采集到金属等离子体辐射的特征线状谱强度为该焊接参数下测量得到的最小强度，信号处理系统判断此处为气孔。2.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：所述的激光器类型为光纤激光器、碟片激光器、半导体激光、绿光激光器、蓝光激光器或nd-yag激光器；所用的电弧类型为tig电弧、mig电弧或等离子弧；激光束与电弧采用旁轴复合或同轴复合的方式。3.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：所述特征信号采集系统的采集频率为500hz～20000hz；采集的特征线状谱的范围为100nm～700nm；采集区域位于激光致小孔口上方、距离板面高度为10mm之间。4.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，其特征在于：所述信号处理系统内部集成有a/d转换电路、放大电路与低通滤波器；所述a/d转换电路使用跨阻放大器，所述放大电路使用两级放大。

技术总结
一种激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测方法，属于焊接过程监测技术领域。测量系统由激光-电弧复合焊接系统、特征信号采集系统及信号处理系统组成。在复合焊接时深熔小孔内激光束直接作用于小孔前壁，当孔内激光致蒸汽喷发冲击小孔壁导致小孔坍塌形成气孔时，喷出小孔的蒸汽最少。数据采集系统采集到特征线状谱的光强最弱，信号处理系统判断此处为气孔。实施本发明为激光-电弧复合非穿透焊接中气孔的原位探测提供了新途径。使用光电探测器与窄带滤波片相结合的方式有选择性的提取焊接过程中的特征线状谱并经过信号处理，提高了复合焊接气孔在线识别的可靠性。复合焊接气孔在线识别的可靠性。复合焊接气孔在线识别的可靠性。


技术研发人员：邹江林 赵振家 孔华 杜欣 肖荣诗
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/6/1