激光焊接熔透在線檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光焊接熔透在線檢測方法。激光焊接時(shí)常規(guī)光學(xué)檢測信號混合信息數(shù)量多，時(shí)域及頻域變化復(fù)雜，信號波動劇烈，常規(guī)檢測手段對激光焊接熔透特征信息難以有效分離。本發(fā)明依據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的特殊狀態(tài)特征，通過對常規(guī)光學(xué)混合信號，依次采用特殊譜段信號分離、特定焊接區(qū)域信號分離、焊接缺陷概率分布特征信號分離三種處理方法，有效去除混合信號中的劇烈干擾，將可靠的焊接熔透特征信息逐層的簡化、分離出來，解決激光焊接時(shí)檢測信號內(nèi)混合信息數(shù)量多、時(shí)域及頻域變化復(fù)雜、信號波動劇烈、焊接熔透特征信息難以有效分離的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對激光焊接熔透的準(zhǔn)確在線識別。本發(fā)明可用于激光焊接熔透在線檢測方法。
【專利說明】
激光焊接熔透在線檢測方法
[0001 ] 技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種激光焊接熔透在線檢測方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
激光焊接時(shí)常規(guī)光學(xué)檢測信號混合信息數(shù)量多，時(shí)域及頻域變化復(fù)雜，信號波動劇烈，常規(guī)檢測手段對激光焊接熔透特征信息難以有效分離。激光焊接作為一種先進(jìn)的特種焊接工藝，在工業(yè)界的各個(gè)領(lǐng)域占據(jù)著不可替代的地位，但是激光焊劇烈波動的焊接過程極易導(dǎo)致焊縫內(nèi)部或底部未熔透情況的出現(xiàn)，未熔透缺陷不僅會使焊接接頭的機(jī)械性能大幅降低，而且還會形成應(yīng)力集中點(diǎn)，承載后引起裂紋，對焊接產(chǎn)品質(zhì)量和部件可靠性造成極大的影響，因此，熔透是評價(jià)焊接質(zhì)最重要的指標(biāo)之一，此外，焊接過程檢測和監(jiān)控還是實(shí)現(xiàn)激光焊接自動化的一個(gè)重要步驟，所以良好的過程熔透監(jiān)測對于有效保證激光焊接質(zhì)量和提升焊接自動化生產(chǎn)能力將起到非常重要的作用。
[0003]由于焊接過程會激發(fā)出強(qiáng)烈的光致等離子體或金屬蒸汽焰難以對焊縫底部的熔透情況進(jìn)行直接觀察，所以，當(dāng)前國內(nèi)外對激光焊接熔透在線檢測的研究主要集中在能間接反映激光焊接過程本質(zhì)的各種聲、光、電等信號上，從應(yīng)用效果上看，這些信號都能在一定程度上反映出激光焊接過程的某些狀態(tài)特性，但是同時(shí)也各具不足，比如，聲音信號在許多工業(yè)現(xiàn)場(如汽車制造等大批量生產(chǎn)領(lǐng)域)難以安裝接觸式傳感器，而非接觸式傳感器則比較容易受周圍工作噪音的影響，電信號在固態(tài)激光焊接時(shí)，會因?yàn)榻饘僬羝麅?nèi)的等離子體含量極少而失去效用，光學(xué)信號雖然在抗干擾能力、測試靈敏度、信息容量、安裝體積、成本等方面的突出優(yōu)勢而更具實(shí)用性，但是由于光信號的維數(shù)較低，而激光焊接過程中不同的物化反應(yīng)能量的釋放情況是不同的，產(chǎn)生時(shí)序也是存在差異的，所以在它們耦合作用下，所采集到的混合光信號會呈現(xiàn)出雜亂且劇烈的波動行為，使得信號識別難度大幅增加。
[0004]即便是當(dāng)前熱門研究的多傳感、多譜段的融合測試技術(shù)，盡管相比于單一傳感技術(shù)可以獲取更多的信息量和更高的測試可靠性，但是這種對時(shí)間或空間上的焊接信息進(jìn)行綜合處理，并利用復(fù)雜信息互補(bǔ)原理消除信號冗余的方法，同時(shí)也會忽略掉許多局部特征信息，而且對于單獨(dú)分離出混合信號中的多種有效信息(如缺陷種類、數(shù)量、級別等)的作用也是有限的，因此，現(xiàn)有檢測方法還無法為激光焊接熔透的實(shí)時(shí)診斷提供可靠的解決方案。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是提供一種激光焊接熔透在線檢測方法。
[0006]上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種激光焊接熔透在線檢測方法，其特征是:依據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的特殊狀態(tài)特征，通過對常規(guī)光學(xué)混合信號，依次采用特殊譜段信號分離、特定焊接區(qū)域信號分離、焊接缺陷概率分布特征信號分離三種處理方法，有效去除混合信號中的劇烈干擾，將可靠的焊接熔透特征信息逐層的簡化、分離出來，解決激光焊接時(shí)檢測信號內(nèi)混合信息數(shù)量多、時(shí)域及頻域變化復(fù)雜、信號波動劇烈、焊接熔透特征信息難以有效分離的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對激光焊接熔透的準(zhǔn)確在線識別；
所述的特殊譜段信號分離的方法，根據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的狀態(tài)特征，找到與焊接熔透映射關(guān)系較為單一的光學(xué)檢測信號，如等離子體強(qiáng)度、熔池?zé)彷椛?、激光反射?qiáng)度與熔透相關(guān)的焊接光學(xué)檢測信號中的一種或2種，作為研究對象，通過分析該檢測對象與其它干擾信號在光譜上的譜線差異，確定合理的檢測譜段范圍，實(shí)現(xiàn)特殊譜段屏蔽干擾信號的效果;
所述的特定焊接區(qū)域信號分離的方法，在激光焊接頭同軸監(jiān)控光路上加入特效光學(xué)系統(tǒng)獲得光學(xué)實(shí)像后，借助三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)移動光電傳感器進(jìn)行定點(diǎn)測量，捕捉特定區(qū)域的光信號強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)光信號區(qū)域分離的目的；
所述的焊接缺陷概率分布特征信號分離的方法，通過分析光信號分布概率密度函數(shù)中特定區(qū)域，與焊接熔透狀態(tài)直接相關(guān)物化反應(yīng)的光信號出現(xiàn)概率范圍的圖形曲率、拐點(diǎn)、軌跡，一項(xiàng)或者多項(xiàng)的形態(tài)特征，可以與焊接熔透情況建立可識別關(guān)聯(lián)特征，并由此獲得未熔透缺陷識別判據(jù)及算法，然后，從每個(gè)時(shí)間段的特征模型中分離出可準(zhǔn)確識別焊接熔透情況的特征參數(shù)組合，最后，通過對所有時(shí)間段內(nèi)的特征參數(shù)進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)對激光焊接恪透情況的定性及定量在線動態(tài)識別。
[0007]有益效果:
1.本發(fā)明是一種激光焊接熔透在線檢測方法，主要針對激光焊接時(shí)常規(guī)光學(xué)檢測信號混合信息數(shù)量多，時(shí)域及頻域變化復(fù)雜，信號波動劇烈，常規(guī)檢測手段對激光焊接熔透特征信息難以有效分離的技術(shù)難題，提出一種將復(fù)雜混合信號簡化、分離的激光焊接熔透特征信息有效分離方法。
[0008]本發(fā)明依次從譜段上、空間位置上和概率分布特征上3種不同的角度的對混合檢測信號進(jìn)行逐層分離，實(shí)現(xiàn)了對激光焊接中非譜段范圍、非檢測區(qū)域、非特征概率分布干擾信號的有效屏蔽，解決了激光焊接時(shí)常規(guī)檢測信號內(nèi)混合的信息數(shù)量多、時(shí)域及頻域變化復(fù)雜、整體信號波動劇烈、焊接缺陷特征信息難以有效分離的關(guān)鍵技術(shù)難題。
[0009]本發(fā)明針對激光焊接中混合光學(xué)檢測信號中光源數(shù)量多、耦合波動劇烈、信號分析難度極大的技術(shù)難題，提出了特定焊接區(qū)域光信號提取辦法，分離出了對焊接熔透缺陷具有較強(qiáng)針對性，且狀態(tài)變化特征明顯的“較純凈”檢測信號，使得后續(xù)軟件分析信號的難度大幅降低，易于獲得準(zhǔn)確的熔透識別。
[0010]本發(fā)明提及的概率特征信號分離的方法，是基于激光焊接光信號的概率分布情況與實(shí)際焊接狀態(tài)之間存在較為嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系這一前期研究基礎(chǔ)上提出的，因此該方法對焊接熔透狀態(tài)識別具有較高的測試可靠性，同時(shí)該方法屬于一種趨勢性捕捉方法，所以能夠有效屏蔽掉焊接時(shí)信號波動及隨機(jī)干擾信號對檢測結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，提供可靠的特征參數(shù)，因此可有效實(shí)現(xiàn)對焊接缺陷的定性及定量識別。
[0011]本發(fā)明提及的特征信號分離方法和其包含的3種熔透特征信息分離手段，雖然是針對激光焊接熔透變化時(shí)的狀態(tài)特征提出的，但是對于激光焊接中其它焊接缺陷產(chǎn)生時(shí)的狀態(tài)特征分析同樣有效，除在譜段和焊接區(qū)域信號選取上需做相應(yīng)調(diào)整外，研究光信號概率密度函數(shù)中特定區(qū)域(即與某種焊接質(zhì)量直接相關(guān)的物化反應(yīng)光信號分布區(qū)域)的圖形曲率、拐點(diǎn)、軌跡等形態(tài)特征時(shí)，也可與其它焊接狀態(tài)下的焊縫特征間建立更多的可識別關(guān)聯(lián)特征。因此，本檢測方法也可擴(kuò)展應(yīng)用到激光焊接的熔深變化、焊接穩(wěn)定性、熔透性、側(cè)壁熔合性、表面缺陷、內(nèi)部氣孔率及缺陷位置等特征信息在線檢測上。
[0012]【附圖說明】: 附圖1是本發(fā)明的激光焊接光信號的時(shí)域分布情況圖。
[0013]附圖2是本發(fā)明的光信號特征分布模型圖。
[0014]附圖3是本發(fā)明選取1mm厚碳鋼板，采用3000W激光功率對焊接實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行表面堆焊圖。
[0015]附圖4是本發(fā)明選取IOmm厚碳鋼板，采用3000W激光功率的特征區(qū)域熱輻射強(qiáng)度圖。
[0016]附圖5是本發(fā)明選取IOmm厚碳鋼板，采用3000W激光功率的熔透識別曲線圖。
[0017]附圖6是本發(fā)明選取1mm厚碳鋼板，采用2000W激光功率對焊接實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行表面堆焊圖。
[0018]附圖7是本發(fā)明選取1mm厚碳鋼板，采用2000W激光功率的特征區(qū)域熱輻射強(qiáng)度圖。
[0019]附圖8是本發(fā)明選取IOmm厚碳鋼板，采用2000W激光功率的熔透識別曲線圖。
[0020]附圖9是本發(fā)明的熔透與未熔透交替出現(xiàn)的不銹鋼焊縫檢測結(jié)果圖。
[0021]附圖10是本發(fā)明的從未熔透到完全熔透過渡式不銹鋼焊縫檢測結(jié)果圖。
[0022]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例1:
一種激光焊接熔透在線檢測方法，依據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的特殊狀態(tài)特征，通過對常規(guī)光學(xué)混合信號，依次采用特殊譜段信號分離、特定焊接區(qū)域信號分離、焊接缺陷概率分布特征信號分離三種處理方法，有效去除混合信號中的劇烈干擾，將可靠的焊接熔透特征信息逐層的簡化、分離出來，解決激光焊接時(shí)檢測信號內(nèi)混合信息數(shù)量多、時(shí)域及頻域變化復(fù)雜、信號波動劇烈、焊接熔透特征信息難以有效分離的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對激光焊接熔透的準(zhǔn)確在線識別；
所述的特殊譜段信號分離的方法，根據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的狀態(tài)特征，找到與焊接熔透映射關(guān)系較為單一的光學(xué)檢測信號，如等離子體強(qiáng)度、熔池?zé)彷椛?、激光反射?qiáng)度與熔透相關(guān)的焊接光學(xué)檢測信號中的一種或2種，作為研究對象，通過分析該檢測對象與其它干擾信號在光譜上的譜線差異，確定合理的檢測譜段范圍，實(shí)現(xiàn)特殊譜段屏蔽干擾信號的效果;
所述的特定焊接區(qū)域信號分離的方法，在激光焊接頭同軸監(jiān)控光路上加入特效光學(xué)系統(tǒng)獲得光學(xué)實(shí)像后，借助三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)移動光電傳感器進(jìn)行定點(diǎn)測量，捕捉特定區(qū)域的光信號強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)光信號區(qū)域分離的目的；
所述的焊接缺陷概率分布特征信號分離的方法，通過分析光信號分布概率密度函數(shù)中特定區(qū)域，與焊接熔透狀態(tài)直接相關(guān)物化反應(yīng)的光信號出現(xiàn)概率范圍的圖形曲率、拐點(diǎn)、軌跡，一項(xiàng)或者多項(xiàng)的形態(tài)特征，可以與焊接熔透情況建立可識別關(guān)聯(lián)特征，并由此獲得未熔透缺陷識別判據(jù)及算法，然后，從每個(gè)時(shí)間段的特征模型中分離出可準(zhǔn)確識別焊接熔透情況的特征參數(shù)組合，最后，通過對所有時(shí)間段內(nèi)的特征參數(shù)進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)對激光焊接恪透情況的定性及定量在線動態(tài)識別。
[0023]實(shí)施例2:
根據(jù)實(shí)施例1所述的激光焊接熔透在線檢測方法，選取1mm厚碳鋼板作為焊接對象，焊前在鋼板背面機(jī)加了 2個(gè)7.5mm深的矩形凹槽，采用3000W激光功率對實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行表面堆焊，實(shí)驗(yàn)板無凹槽處獲得的是未熔透焊縫，而在矩形槽處獲得了完全熔透焊縫，并采用本產(chǎn)品焊接熔透檢測方法，獲得檢測結(jié)果如附圖3、4所示，對比發(fā)現(xiàn)，通過“特定焊接區(qū)域信號分離手段”獲得的光學(xué)檢測信號，在未熔透焊縫下的強(qiáng)度值要明顯高于完全熔透焊縫下的強(qiáng)度值，附圖5是采用“焊接缺陷概率分布特征信號分離手段”處理后的檢測結(jié)果，通過圖中箭頭位置處的比較，可以看出檢測結(jié)果與實(shí)際焊縫熔透情況完全一致。
[0024]實(shí)施例3:
根據(jù)實(shí)施例1所述的激光焊接熔透在線檢測方法，選取1mm厚碳鋼板作為焊接對象，焊前在鋼板背面同樣機(jī)加了2個(gè)7.5mm深的矩形凹槽，采用2000W激光功率對實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行表面堆焊，實(shí)驗(yàn)板無凹槽處獲得的是未熔透焊縫，而在矩形槽處獲得的是少量熔透焊縫，采用本發(fā)明方法的檢測結(jié)果如圖6、7、8所示，通過附圖7與圖4對比可知，少量熔透實(shí)驗(yàn)的光學(xué)檢測信號整體強(qiáng)度要明顯低于完全熔透時(shí)的整體強(qiáng)度，而且熔透與未熔透光學(xué)檢測信號間的強(qiáng)度差異要明顯減弱，但是通過附圖比較發(fā)現(xiàn)，本產(chǎn)品方法依然能夠清晰的反映出焊縫的少量熔透及未熔透焊接變化過程(在熔透實(shí)驗(yàn)中少量熔透情況是較難識別的)，證明本產(chǎn)品方法對于焊縫熔透檢測具有較高的可靠性，而且通過大量實(shí)驗(yàn)證明5mm以下厚度試板焊接熔透識別準(zhǔn)確率高于80%。
[0025]實(shí)施例4:
根據(jù)實(shí)施例1所述的激光焊接熔透在線檢測方法，選取3mm厚不銹鋼試板作為焊接對象，采用激光功率2300-2900-2300-2900跳躍式輸出堆焊模式，獲得了熔透與未熔透交替出現(xiàn)的焊縫，采用本發(fā)明方法檢測到的結(jié)果與實(shí)際焊縫熔透情況完全一致，如附圖9所示。
[0026]實(shí)施例5:
根據(jù)實(shí)施例1所述的激光焊接熔透在線檢測方法，選取3mm厚不銹鋼試板作為焊接對象，采用激光功率1800-3300直線遞增式輸出堆焊模式，獲得了從未熔透到完全熔透逐漸過渡的焊縫，采用本發(fā)明方法檢測到的結(jié)果與實(shí)際焊縫熔透情況完全一致，如附圖10所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光焊接熔透在線檢測方法，其特征是:依據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的特殊狀態(tài)特征，通過對常規(guī)光學(xué)混合信號，依次采用特殊譜段信號分離、特定焊接區(qū)域信號分離、焊接缺陷概率分布特征信號分離三種處理方法，有效去除混合信號中的劇烈干擾，將可靠的焊接熔透特征信息逐層的簡化、分離出來，解決激光焊接時(shí)檢測信號內(nèi)混合信息數(shù)量多、時(shí)域及頻域變化復(fù)雜、信號波動劇烈、焊接熔透特征信息難以有效分離的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對激光焊接熔透的準(zhǔn)確在線識別； 所述的特殊譜段信號分離的方法，根據(jù)激光焊接熔透變化時(shí)的狀態(tài)特征，找到與焊接熔透映射關(guān)系較為單一的光學(xué)檢測信號，如等離子體強(qiáng)度、熔池?zé)彷椛?、激光反射?qiáng)度與熔透相關(guān)的焊接光學(xué)檢測信號中的一種或2種，作為研究對象，通過分析該檢測對象與其它干擾信號在光譜上的譜線差異，確定合理的檢測譜段范圍，實(shí)現(xiàn)特殊譜段屏蔽干擾信號的效果; 所述的特定焊接區(qū)域信號分離的方法，在激光焊接頭同軸監(jiān)控光路上加入特效光學(xué)系統(tǒng)獲得光學(xué)實(shí)像后，借助三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)移動光電傳感器進(jìn)行定點(diǎn)測量，捕捉特定區(qū)域的光信號強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)光信號區(qū)域分離的目的； 所述的焊接缺陷概率分布特征信號分離的方法，通過分析光信號分布概率密度函數(shù)中特定區(qū)域，與焊接熔透狀態(tài)直接相關(guān)物化反應(yīng)的光信號出現(xiàn)概率范圍的圖形曲率、拐點(diǎn)、軌跡，一項(xiàng)或者多項(xiàng)的形態(tài)特征，可以與焊接熔透情況建立可識別關(guān)聯(lián)特征，并由此獲得未熔透缺陷識別判據(jù)及算法，然后，從每個(gè)時(shí)間段的特征模型中分離出可準(zhǔn)確識別焊接熔透情況的特征參數(shù)組合，最后，通過對所有時(shí)間段內(nèi)的特征參數(shù)進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)對激光焊接恪透情況的定性及定量在線動態(tài)識別。
【文檔編號】G01N21/84GK106018405SQ201610326537
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】孫謙, 王威, 王旭友, 黃瑞生, 雷振, 李小宇, 徐富家, 徐良, 滕彬, 陳曉宇
【申請人】機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所