專利名稱：基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接 過程中焊接缺陷在線監(jiān)控領(lǐng)域，具體是一種基于譜線Cu I 324. Snm的強度的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
國內(nèi)方面，清華大學(xué)國靜等人利用軸向光傳感器采集同軸光致等離子體光信號來實現(xiàn)激光焊接熔透檢測，研究發(fā)現(xiàn)板厚一定的時候，同軸光信號強度隨著線能量的增加而增加，而同軸光信號的頻心與激光功率之間的對應(yīng)關(guān)系則恰好相反；華中科技大學(xué)段愛琴， 胡倫驥等人通過對伴隨激光深熔焊接所存在的光致等離子體的藍(lán)紫光信號相對強度的監(jiān)測，以判斷焊縫的熔透性。研究表明，焊縫的熔透性與光致等離子體光信號的累積強度有對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)焊縫全部熔透時，光信號穩(wěn)定性非常好，而一旦焊縫未熔透或熔透性差時，光信號會產(chǎn)生極大的波動，同時他們還研究了利用光致等離子體聲信號監(jiān)測激光焊縫的熔透性，發(fā)現(xiàn)焊縫熔透狀態(tài)不同，其熔池上方的光致等離子體聲信號的強度明顯不同，熔透時， 聲信號強度低得多；在焊縫的熔透趨于跳動狀態(tài)或未熔透時，聲信號強度明顯增強；曾浩等人利用小波變換對拾取的激光焊接等離子體的AE(Acoustic Emission)信號進行信號分析，并對小波分解后得到的細(xì)節(jié)信號進一步處理，在此基礎(chǔ)上提取的曲線很好地反映了激光焊接過程的狀態(tài)變化，能夠快速地檢測觀察焊接缺陷，說明利用聲信號實現(xiàn)對激光焊接質(zhì)量控制是可行的；王春明等人研究了非穿透激光深熔焊熔深與等離子體光信號的關(guān)系， 通過改變激光功率和焊接速度來獲得不同焊縫熔深，采用光電傳感器采集等離子體的特征光信號;唐霞輝等人借鑒熔煉材料的激光焊接方法,結(jié)合粉末冶金材料特點對高功率CO2激光焊接粉末冶金材料的等離子體行為及控制方法進行了實驗研究。在同樣焊接條件下觀察到三種材料的等離子體光強信號幅值有明顯區(qū)別，Ni粉藍(lán)光最強，檢測信號的平均幅值最高，Co粉次之，F(xiàn)e粉最弱。英國曼徹斯特大學(xué)Li和利物浦大學(xué)W M Steen最早設(shè)計了 PCS傳感器來測量光致等離子體的溫度；Hong ping Gu等檢測并分析了小孔前沿的紅外福射和等離子體紫外信號，發(fā)現(xiàn)小孔前沿的紫外輻射信號強度與焊縫寬度成一定關(guān)系；Migam0t0則采用光電二極管檢測連續(xù)激光焊接等離子體在控制和未控制情況下的動態(tài)行為，根據(jù)等離子體波形起伏可初步判斷焊縫穿透情況和焊接質(zhì)量；D. Maischner等，開發(fā)了一種從工件上方和下方的金屬蒸氣等離子體光信號特征確定焊接熔透性的方法在下方，監(jiān)測信號與小孔開合同步時的有無，在上方，金屬蒸氣等離子體光信號的波動頻率與穿透性相關(guān)；S. Postma等設(shè)計了一種碳鋼熔透性的反饋控制器，主要用于YAG激光焊接，這一系統(tǒng)主要基于對熔池光信號的測量，并用激光功率作為激勵器，光探測器通過帶寬為500Hz的低通濾波分析器，信號采集頻率20kHz，由DSP計算并控制；上述研究采用多種方法對焊接過程的焊接情況進行了檢測，然而沒有對鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中出現(xiàn)的特殊焊接缺陷-氣孔做相關(guān)研究，不能很好地實現(xiàn)對激光填粉焊接進行實時監(jiān)控的目的和保證填粉焊接的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于Cu I 324. Snm 等離子體光譜信號的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法，實現(xiàn)對激光填粉焊接進行實時監(jiān)控的目的，保證填粉焊接的質(zhì)量。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于Cu I 324. 8nm等離子體光譜信號的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法，包括焊接缺陷在線診斷裝置，焊接缺陷在線診斷裝置包括工作臺、固定在工作臺上的鍍鋅鋼(I)、計算機(5)、 激光器￠)，所述鍍鋅鋼(I)焊接部位正上方設(shè)有焊接頭(2)，焊接頭(2)內(nèi)設(shè)有聚焦鏡，鍍鋅鋼(I)焊接部位側(cè)上方設(shè)有一個以上光電探測器(4)，光電探測器(4)與計算機(5)連接，計算機(5)與激光器(6)連接，該方法為激光束聚焦后對鍍鋅鋼(I)進行激光焊接，同時向焊接處添加銅粉；利用光電探測器(4)通過激光束成像透鏡(10)和帶通濾波片(11) 采集鍍鋅鋼(I)激光添粉焊接過程中的Cu I 324. Snm等離子體光譜信號，分析所采集的光譜信號，監(jiān)測Cu I 324. 8nm譜線的相對強度變化當(dāng)譜線Cu I 324. 8nm的強度I為背景光強度的時候無焊接缺陷產(chǎn)生；當(dāng)譜線Cu I 324. Snm的強度突然陡增時，則判定焊縫中將出現(xiàn)焊接氣孔，同時計算機(5)在譜線Cu I 324. 8nm的強度突然增大時實時調(diào)整焊接工藝參數(shù)。背景光強度數(shù)值通常為20以內(nèi)。所述工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度、送粉量、離焦量。所述光電探測器⑷的采集頻率不小于IOOHz。激光焊接過程本質(zhì)為一動態(tài)波動過程，只有穩(wěn)定的動態(tài)波動焊接過程才能得到良好的焊縫，而對應(yīng)此時的等離子體光譜強度也是處于動態(tài)穩(wěn)定波動狀態(tài)，因此在對應(yīng)元素特定譜線強度波動平穩(wěn)時不產(chǎn)生焊接缺陷，當(dāng)譜線強度突然變化時，就會產(chǎn)生焊接缺陷。采用添粉焊接能夠減少焊接過程飛焊接缺陷，所添加的粉末為銅粉，粉末添加的方式為同步送粉或預(yù)先添粉，其中同步送粉方式可采用同軸送粉、側(cè)向送粉兩種。所添加粉末材料被電離產(chǎn)生的特征元素等離子體光信號與焊接缺陷的關(guān)聯(lián)之一 鍍鋅鋼激光焊接過程中，由于鍍鋅層的極易氣化產(chǎn)生大量鋅蒸氣，影響焊接穩(wěn)定性，使得焊接過程易產(chǎn)生多種焊接缺陷，為解決因鋅蒸氣而產(chǎn)生的焊接缺陷，可采用在焊接過程中添加特殊元素使鍍鋅層與添加的材料反應(yīng)形成冶金固溶體，將鋅保存在焊縫中，減少鋅蒸氣的產(chǎn)生，從而減少鋅蒸氣引起的焊接缺陷，當(dāng)所添加的粉末材料電離較少時，此時對應(yīng)的熔融的添加粉末材料少，對焊接過程中大量的鋅蒸汽的抑制作用小，以致大量的鋅蒸汽的存在對焊接過程產(chǎn)生不利的影響，從而產(chǎn)生焊接缺陷；而所添加的粉末材料電離較多時，此時對應(yīng)的熔融的添加粉末材料多，此時對焊接過程中大量的鋅蒸汽的產(chǎn)生有很大的抑制作用，但是由于大量異種材料的增加會使得焊縫的機械性能發(fā)生改變，而所添加粉末材料的電離多少與粉末的添加量和添加方式有很大的關(guān)系，由此可知，焊接過程中適當(dāng)?shù)娜廴诜勰┮簿褪侵挥羞m當(dāng)?shù)姆勰┨砑恿亢吞罘鄯绞讲拍艿玫嚼硐氲暮附有Ч?，對所添加的粉末量的監(jiān)測是觀測是否得到理想焊接效果的重要手段，而本發(fā)明所述的基于譜線Cu I 324. Snm 的強度的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法是實現(xiàn)在線監(jiān)測的有效方法，并通過監(jiān)測到的譜線Cu I 324. Snm的強度變化信息，計算機將會及時的優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，實現(xiàn)對焊接過程的在線監(jiān)測和控制。所添加粉末材料被電離產(chǎn)生的特征元素等離子體光信號與焊接缺陷的關(guān)聯(lián)之二 圖4為譜線強度曲線與焊縫氣孔的對應(yīng)關(guān)系圖。通過分析沿焊縫方向截面的有無氣孔變化和Cu I 324. 8nm譜線強度變化曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)譜線Cu I 324. 8nm的強度I基本為零的時候無焊接缺陷產(chǎn)生，當(dāng)譜線Cu I 324. Snm的強度出現(xiàn)某個峰值時，則焊縫處對應(yīng)時刻出現(xiàn)了焊接氣孔。這是因為焊縫的形成過程中，當(dāng)出現(xiàn)氣孔時，Cu元素會向氣孔處偏析積聚，使得氣孔處銅元素含量增加，而氣孔類似高能量聚集的“能量黑體”，激光能量在氣孔處利用率增加，為氣孔壁完全吸收，易于使銅元素熔化、汽化，而由Boltzmann分布定律可知電離原子數(shù)越多，譜線強度越高。因此激光焊接過程中產(chǎn)生的Cu I 324. Snm等離子體光信號可以用來有效監(jiān)測鍍鋅鋼添加銅粉焊接過程中氣孔的產(chǎn)生。本發(fā)明針對鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅層易氣化成大量鋅蒸氣，鋅蒸氣使得焊接過程易產(chǎn)生多種焊接缺陷，如焊縫氣孔、凹陷等，在添加銅粉抑制鋅蒸氣產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，利用焊接過程譜線Cu I 324. Snm的強度實時檢測鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中的焊接缺陷，同時通過自動調(diào)整工藝參數(shù)控制焊接過程，避免焊接氣孔的出現(xiàn)，本發(fā)明實現(xiàn)了對激光填粉焊接進行實時監(jiān)控的目的，保證了填粉焊接的質(zhì)量，對實際生產(chǎn)具有重大的意義；本發(fā)明只需采集譜線Cu I 324. Snm等離子體光譜信號對激光焊接過程中的添粉量進行在線監(jiān)測，檢測方法便捷，且可通過分析譜線Cu I 324. Snm強度變化實時判斷出焊接缺陷是否出現(xiàn)及出現(xiàn)的時刻，并可及時修改焊接工藝參數(shù)以避免氣孔的出現(xiàn)，此發(fā)明同時實現(xiàn)了激光填粉焊接中焊接小孔的檢測和控制，在實際生產(chǎn)中解決焊接缺陷難題上實現(xiàn)重大的突破。


圖I為本發(fā)明一實施例焊接缺陷在線診斷裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明一實施例預(yù)先添粉原理圖；圖3為本發(fā)明一實施例同步送粉原理圖；圖4為本發(fā)明一實施例焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應(yīng)關(guān)系圖；(a) Cu元素重量百分?jǐn)?shù)為I. 6%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應(yīng)關(guān)系圖；(b)Cu 元素重量百分?jǐn)?shù)為2. 33%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應(yīng)關(guān)系圖；(C)Cu元素重量百分?jǐn)?shù)為3. 35 %時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應(yīng)關(guān)系圖；(d) Cu元素重量百分?jǐn)?shù)為4. 75%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應(yīng)關(guān)系圖；(e)Cu元素重量百分?jǐn)?shù)為6. 86%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應(yīng)關(guān)系圖；其中1 :鍍鋅鋼；2 :焊接頭；3 :焊縫；4 :單波長光電探測器；5 :計算機；6 :激光器；7 :送粉器；8 :等離子體；9 :焊接方向；10 :激光束成像透鏡；11 :帶同濾波片；12 :預(yù)置銅粉；13 側(cè)向送粉。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明一實施例焊接缺陷在線診斷裝置包括工作臺、固定在工作臺上的鍍鋅鋼1，所述鍍鋅鋼I焊接部位正上方設(shè)有焊接頭2，焊接頭2內(nèi)設(shè)有聚焦鏡，焊接頭 2上固定有鍍鋅鋼激光添粉焊接的送粉器7 (型號wi77544、IGS-3、IGS-3X等)，鍍鋅鋼I焊接部位側(cè)上方分別設(shè)有激光束成像透鏡10、帶同濾波片11 (中心波長324. 8nm)和光電探測器4 (硅光電二極管)組成的單波長光電探測器組件，單波長光電探測器通過光纖與一用于保存并顯示采集的等離子體光信號的計算機5相連，計算機5與激光器6 (DC025型板條式C02激光器)連接。如圖I和2所示，粉末添加的方式為預(yù)先添粉或同步送粉，本實施例采用如圖2 所示的同步送粉方式中的側(cè)向送粉，且粉末由光束前方送入焊接部位，等離子體光信號采集采用單波長光電探測器，探測器位于焊接部位上方與激光束成一角度，從焊接小孔上方采集譜線Cu I 324. Snm等離子體光信號，單波長光電探測器組件所采集的為譜線Cu I 324. 8nm等離子體光信號，單波長光電探測器組件布置的高度和角度及探測器的個數(shù)由所需采集的信號數(shù)量、信號強弱等決定，所采集的譜線Cu I 324. Snm等離子體光信號保存并顯示在計算機5中。本是實施例中，基于Cu I 324. Snm等離子體光譜信號的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法的步驟為激光束聚焦后對鍍鋅鋼I進行激光焊接，同時向焊接處添加銅粉；利用單波長光電探測器組件采集鍍鋅鋼I激光添粉焊接過程中的Cu I 324. Snm等離子體光譜信號，分析所采集的光譜信號，監(jiān)測Cu I 324. Snm譜線的相對強度變化當(dāng)譜線Cu 1324. Snm的強度I為背景光強度(其數(shù)值通常為20以內(nèi))的時候無焊接缺陷產(chǎn)生；當(dāng)譜線Cu I 324. Snm的強度突然增大時，則判定焊縫中將出現(xiàn)焊接氣孔，同時 計算機5在譜線Cu I 324. 8nm的強度突然增大時自動調(diào)整焊接的工藝參數(shù)，然后將優(yōu)化后的工藝參數(shù)反饋給激光器，焊接繼續(xù)進行。焊接過程中所述單波長光電探測器組件采集了譜線Cu I 324. Snm的等離子體光譜強度，鍍鋅鋼激光焊接中，鋅的蒸氣量減少有利于焊接缺陷產(chǎn)生概率的降低，添加材料銅與鋅產(chǎn)生的固熔體可以直接減少鋅的蒸發(fā)，因而Cu元素等離子體光信號在產(chǎn)生焊接氣孔時會出現(xiàn)劇烈波動，在大量實驗的基礎(chǔ)上我們已得出譜線Cu I 324. 8nm的強度變化與焊接氣孔的出現(xiàn)有很明顯的關(guān)系，本實施例的研究過程中采用體視鏡觀察焊縫縱截面的形貌， 同時采用了多個單波長光電探測器組件在線監(jiān)測了銅粉不同添加量下譜線Cu I 324. Snm 的強度圖4為用單波長光電探測器組件采集的特征元素等離子體光信號為譜線Cu I 324. 8nm的強度變化圖，其中Cu元素重量百分?jǐn)?shù)分別為1.6%、2. 33%,3. 35%,4. 75%, 6. 86%。通過對比上述采集得到的在不同填粉量的情況下，譜線Cu I 324. Snm的強度的變化同在線實時診斷焊接缺陷得到的一致的特征當(dāng)譜線Cu 1324. 8nm的強度出現(xiàn)某個峰值時，則焊縫處對應(yīng)時刻出現(xiàn)了焊接氣孔，譜線Cu I 324. 8nm的強度變化同時也對應(yīng)鋅蒸氣的量，鋅蒸汽與熔融的Cu形成固溶體，如果Cu I 324. Snm的等離子體信號強度I為背景光強度(其數(shù)值通常為20以內(nèi))時，則焊接中產(chǎn)生的大量鋅蒸汽將與熔融的Cu穩(wěn)定的形成大量的固溶體，鋅蒸汽對焊接的影響作用減小，焊接中產(chǎn)生氣孔的概率減?。蝗绻鸆u I 324. Snm的等離子體信號發(fā)生劇烈波動，則鋅蒸汽與熔融的Cu形成的固溶體不穩(wěn)定，此時由于有大量的鋅蒸汽存在，對焊接過程造成很大不利的影響，焊接過程中就會有氣孔產(chǎn)生， 因為在鍍鋅鋼I激光焊接過程中，鋅與銅可發(fā)生反應(yīng)形成鋅與銅的固溶體，減少了鋅蒸氣從而減少了焊縫中的氣孔，銅粉的送粉速度控制可由送粉器粗略控制。焊接缺陷主要是指焊縫表面的氣孔、凹陷，而焊縫表面的氣孔的形成主要是由于鍍層鋅處的鋅極易汽化產(chǎn)生大量的鋅蒸汽影響所致，鍍鋅鋼鍍鋅層的作用為防止鋼材腐蝕，焊接過程中鋅的減少必定對鍍鋅鋼鍍鋅層的防腐蝕性能有所降低；在焊接過程中添加的銅粉可與鍍鋅層發(fā)生反應(yīng)形成固溶體，從而將鋅保存在焊縫當(dāng)中，抑制鋅蒸汽的形成，進而降低因鋅蒸汽的存在而導(dǎo)致焊接氣孔的出現(xiàn)，檢測Cu I 324. Snm等離子體輻射光譜信號強度，反應(yīng)被抑制的鋅蒸汽量。通過分析沿焊縫方向截面的有無氣孔變化和Cu I 324. Snm譜線強度變化曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)譜線Cu I 324. Snm的強度出現(xiàn)某個峰值時，則焊縫處對應(yīng)時刻出現(xiàn)了焊接氣孔，這是因為焊縫的形成過程中，當(dāng)出現(xiàn)氣孔時，銅元素會向氣孔處偏析積聚，使得氣孔處銅元素含量增加，而氣孔類似高能量聚集的“能量黑體”，激光能量在氣孔處利用率增加，為氣孔壁完全吸收，易于使銅元素熔化、汽化，而由Boltzmann分布定律可知電離原子數(shù)越多，譜線強度越高，因此激光焊接過程中產(chǎn)生的Cu I 324. Snm等離子體光信號可以用來有效監(jiān)測鍍鋅鋼添加銅粉焊接過程中氣孔的產(chǎn)生。以上所需要的光敏傳感器必須有足夠快的信號采集頻率，以得到連續(xù)的信號變化特征，其 采集頻率不小于IOOHz。
權(quán)利要求
1.一種基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法，包括焊接缺陷在線診斷裝置，焊接缺陷在線診斷裝置包括工作臺、固定在工作臺上的鍍鋅鋼(I)、計算機(5)、 激光器￠)，所述鍍鋅鋼(I)焊接部位正上方設(shè)有焊接頭(2)，焊接頭(2)內(nèi)設(shè)有聚焦鏡，鍍鋅鋼(I)焊接部位側(cè)上方設(shè)有一個以上光電探測器(4)，光電探測器(4)與計算機(5)連接，計算機(5)與激光器(6)連接，其特征在于，該方法為激光束聚焦后對鍍鋅鋼(I)進行激光焊接，同時向焊接處添加銅粉；利用光電探測器(4)通過激光束成像透鏡(10)和帶通濾波片(11)采集鍍鋅鋼(I)激光添粉焊接過程中的Cu I 324. Snm等離子體光譜信號，分析所采集的光譜信號，監(jiān)測Cu I 324. 8nm譜線的相對強度變化當(dāng)譜線Cu I 324.8nm的強度I為背景光強度的時候無焊接缺陷產(chǎn)生；當(dāng)譜線Cu I 324. 8nm的強度突然陡增時，則判定焊縫中將出現(xiàn)焊接氣孔，同時計算機(5)在譜線Cu I 324. Snm的強度突然增大時實時調(diào)整焊接工藝參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述控制工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度、送粉量、離焦 量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述光電探測器(4)的采集頻率不小于100Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述光電探測器為單波長光電探測器組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述光電探測器組件通過光纖與計算機連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述背景光強度數(shù)值為20以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法，本發(fā)明針對鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅層易氣化成大量鋅蒸氣，鋅蒸氣使得焊接過程易產(chǎn)生多種焊接缺陷，如焊縫氣孔、凹陷等的問題，在添加銅粉抑制鋅蒸氣產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，利用焊接過程譜線Cu I 324.8nm的強度，實時檢測鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷，同時通過自動調(diào)整工藝參數(shù)控制焊接過程，避免焊接氣孔的出現(xiàn)，本發(fā)明實現(xiàn)了對激光填粉焊接進行實時監(jiān)控的目的，保證了填粉焊接的質(zhì)量，對實際生產(chǎn)具有重大的意義。
文檔編號B23K26/03GK102615423SQ20121012453
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者史如坤, 張屹, 段林勇 申請人:湖南大學(xué)