专利名称：一种非接触式激光焊接热循环的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量在激光焊接中对激光焊接机理研究的一种非接触式激光焊接热循环的测量方法。
背景技术：
激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近出现很大的温度梯度，因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。准确地认识焊接热过程，对焊接机理的研究、焊接结构力学分析、显微组织分析以及最终的焊接质量控制具有重要意义。目前，在对焊接温度场及热循环的研究中，对于焊缝的加热及冷却过程的测量采用的是接触式测量方法，测量的准确度很难保证。又由于激光焊接过程的加热冷却速度太快，且熔池及等离子体温度高，因而目前在焊接热循环中常采用的热电偶测温方法，不能应用于激光焊接中。而一般的红外测温方法，在采样速度和测量范围方面也不能满足激光焊接过程的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够准确测量激光焊接过程中焊缝的加热、冷却性能的非接触式激光焊接热循环的测量方法。本发明的技术方案主要解决两方面问题(1)温度数据标定。根据焊接材料的不同，在恒温箱中相应设置多个标准温度点(如，700℃、750℃、800℃…)，在每个温度点下，分别用波长为1564nm和1464nm的两个红外滤光片获取两个强度值，将两个强度值相比得到比值P0。在温度测量范围内重复测得多组比值并进行统计平均，得到温度标定点的标准比值，再利用曲线拟合方法得到标准比值与温度的关系曲线P0(T)。该曲线用于在系统中对所测得的热循环过程的温度对比。(2)热循环过程数据的采集与分析。采用波长为1564nm和1464nm滤光片的两路红外传感器对焊缝的同一点位置进行测量，焊缝辐射出的红外光通过滤光片和光阑照射到两路红外传感器中，两路红外传感器分别将光信号转换成为电信号，输入信号采集卡，保存在数据文件中。按照采样时间顺序依次计算同一时刻所获得的两路光信号强度的比值P，得到P随时间t变化的关系曲线P(t)。温度数据标定和热循环过程数据的采集使用相同的测量系统，因而在热循环过程数据的采集与分析过程中，可认为当P和P0相等时所对应的焊缝温度即为T，由此可获得所测量的焊缝点的温度--时间曲线T(t)。
本发明采用非接触式测量，用两路红外传感器所测信号对比的方法，对激光焊接过程中焊缝的加热、冷却过程进行测量，通过信号处理，及特定的标定，获得整个过程的加热冷却情况，采样频率可达500kHz，测量精度高、速度快；本发明由于采用的是非接触式测量，因此，测量温度高、范围大、不破坏原有温度场。从而获得焊缝的加热冷却性能，为精确控制焊缝的组织性能、力学性能打下基础。实现了对焊接过程热循环的整体过程的测量，可获得其加热冷却过程的温度变化曲线。
图1为本发明的方框图；图2为本发明光学系统框图；图3为本发明检测程序流程图；图4为本发明硬件结构框图；图5为本发明热循环曲线图。
具体实施例方式本发明主要分为五个部分光学系统、红外传感器及信号调理模块、数据采集、信号标定及分析软件。焊缝辐射出的红外光通过两路红外滤光片和光阑照射到红外传感器，红外光传感器采用日本一公司InGaAsPIN型光电二极管产品，它具有很大的分流电阻(100MΩ)和很小的噪声。采用石英窗口，TO-18封装，而且其感光面积很大，达到了Φ5mm，这样在制作光路系统时不会因出现微小偏差而测不准。
从传感器输出的信号通常需经信号调理模块才能得到适合于采集卡采集的电压信号。信号调理模块包括前置放大电路，低通滤波电路，程控放大电路。红外光传感器由于只有一个单独的光电二极管，为了得到电压信号，需在光电管后级接一I-V转换电路(前置放大器)。为提高硅光电二极管测量时的线性，必须保证负载阻抗趋近零。
经过调理的电信号进入A/D卡，A/D数据采集卡选用了美国UEI公司(United Electronic Industries)的PowerDAQ PD2-MFS-4-500/14型采集卡。这种PCI接口的同步数据采集卡，带有DSP处理芯片，能够实现多通道模拟数据的快速采集；A/D卡将模拟信号转换为数字信号。数据经过专用软件与标定过的温度信号相对比，从而确定出整个焊接热循环过程的温度随时间的变化曲线。该设备的操作流程如图3所示。
整个系统的操作的流程是首先启动设备，然后由用户进行参数设置，参数设置完成后就可以启动实时监测，用户在监测结束后把监测数据保存到文件，然后进行热循环曲线的分析，最后生成报表，整个过程结束。
下面就这个过程的细节进行说明。
首先是启动设备，这时设备会自动进入自检模块进行设备的自检测，一旦设备的软硬件出现问题，及时通知用户进行解决。
在自检完成后，进入用户参数设置步骤。设备先从数据库中获取参数设置模板以供用户进行焊接材料、焊接工艺和分析参数的选择，用户还可以根据实际的使用情况对参数进行修改和设置。在参数设置完成后。设备会自动将本次设置的参数保存到数据库中以供下次使用时选择。
在用户设置完监测参数后就可以进入数据的标准温度标定步骤。在这个步骤中设备首先对焊接材料在恒温箱中标定温度处数据进行采集，然后把采集得到的两路红外光数据保存到文件。先计算某温度(T)条件下，两路红外光测量数据的比值，然后进行统计平均，得到该温度时的标准比值P0(T)。对一系列的设定温度条件下的数据进行采集，进行同样的计算，获得一系列的标定数据，将之保存在指定的数据文件中，以备后用。
在标定以后，可进入实时监测步骤。对采集到的两路数据计算其比值P(t)，其中t为采样时刻；从上边标定好的数据文件中获得相对应的温度值，然后通过分析输出温度---时间的关系曲线T(t)。
本发明的软件结构框架如下1.数据采集模块数据采集模块的功能实现上，可以分为以下几个部分1)多通道信号高速采集两路红外辐射信号采集(900nm～1600nm)。
2)信号采集数据自动存档信号采集时，采集的原始数据自动以文件形式存盘。
2.用户界面模块用户界面模块的功能实现上，可以分为以下几个部分
1)数据显示以图表或曲线方式直观形象的显示原始分析数据和数据分析结果。
2)数据管理以数据库方式管理历史信号记录。在保存采集数据时同步保存工艺条件，焊接参数等信息，并将工艺条件，焊接参数等信息存入数据库。能根据需要对历史记录进行访问，修改和备份。
3.信号及数据分析处理模块信号及数据分析处理模块的功能实现上，可以分为以下几个部分统计平均、方差计算。
4.温度标定，对比分析模块温度标定计算恒温箱中不同温度T时的统计平均后的两路红外信号比值P0(T)，并存在特定的文件中；对比分析计算焊接过程中不同时刻t所采集的两路红外信号数据的比值P(t)，与文件中的标准P0(T)曲线值相对比，获得温度---时间曲线T(t)。
5.报表生成模块报表生成模块的功能实现上，可以分为以下几个部分1)自动生成分析报告自动将分析结果(信号曲线、直方图、表格等)嵌入到WORD或EXCEL中，形成数据分析报告。
2)打印部分或全部打印数据分析结果。
6.系统自检模块硬件系统发生故障时，提供故障诊断信息。
权利要求
1.一种非接触式激光焊接热循环的测量方法，其特征是，数据标定分析分为两步(1)进行标准温度数据标定，根据焊接材料的不同，在恒温箱中设置多个标准温度点，在每个温度点下，分别用两个不同波长的红外滤光片获取两个强度值，将两个强度值相比，对所获得的比值进行统计平均，得出标准温度的比值，将此比值设定为该温度时的标准比值，用同样的步骤对不同的温度点标定，从而获得温度与比值的关系曲线，该曲线用于在系统中对所测得的热循环过程的对比分析；(2)热循环过程数据的采集与分析。采用不同波长的两路红外传感器对焊缝的同一点位置进行测量，焊缝辐射出的红外光通过滤光片和光阑照射到两路红外传感器中，两路红外传感器分别将光信号转换成为电信号，输入信号采集卡，保存在数据文件中，计算所获得的两路数据的比值相对应时间的关系，经过与标定过的标准温度比值的关系曲线相对比，获得所测量的焊缝点的温度一时间曲线。
2.根据权利要求1所述的非接触式激光焊接热循环的测量方法，其特征是，两路红外滤光片的波长为1564nm和1464nm。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量在激光焊接中对激光焊接机理研究的一种非接触式激光焊接热循环的测量方法。它是由焊缝辐射出的红外光通过滤光片和光阑照射到红外传感器，红外传感器将光信号转换成为电信号，输入信号采集卡，对采集到的相对光强与时间的关系数据进行标定，以得到焊接热循环过程中温度与时间的关系。本发明采用非接触式测量，用红外传感器对激光焊接过程中焊缝的加热、冷却过程进行监视，通过信号处理，及特定的标定，获得整个过程的加热冷却情况，采样频率可达500kHz，测量精度高、速度快，测量温度高、范围大、不破坏原有温度场，实现了对焊接过程热循环的整体过程的测量。
文档编号B23K26/42GK1739905SQ20051010542
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月28日 优先权日2005年9月28日
发明者段爱琴, 张朴, 王亚军, 陈俐, 巩水利, 孔力, 刘文中, 胡伦骥 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所, 华中科技大学