一种脉冲激光激振TIG熔池检测振荡频率的熔透控制装置的制作方法

本发明涉及一种脉冲激光激振TIG熔池检测振荡频率的熔透控制装置，属于自动化焊接技术领域。

背景技术：

焊接过程质量控制的关键是焊缝及其成形的熔透控制，即根据焊接过程的实际状态，按照一定的规律使表征焊缝成形的几何参数接近或达到预期的设定值。所以焊接熔透控制是焊接技术的一大研究方向，其目的是保证焊件可靠熔透、获得均匀一致的焊缝成形。此项工作的关键是如何提取反映熔透状态的信息。但是，由于焊缝的熔深是焊件被电弧加热的情况下下，由高温液态金属熔池形态所决定的一个动态物理量，对其直接测量很困难，只能通过相关的物理量作间接检测。目前，进行焊接熔透控制研究的学者们，主要的研究手段有焊接温度场检测、视觉图像检测、超声波、电弧声检测和熔池振荡检测等。其中视觉检测法和熔池振荡由于直接与熔池尺寸相联系而倍受关注。

熔池振荡检测的方法是通过附加力冲击熔池，引起熔池外激振荡，而后检测熔池振荡频率与熔深之间的关系的一种实验方法。熔池振荡检测主要的问题是如何产生熔池振荡以及如何检测熔池振荡频率。目前大部分研究都是采用脉冲电流或变频电流对对熔池进行激荡，并通过检测电弧电压或电弧信号来得到熔池振荡频率。此类方法在进行移动焊接过程中，电弧会发生偏移并导致熔池受到的电弧力降低，使熔池振荡水平降低，从而导致熔池振荡不稳定，所以仅适用于定点焊接。并且电弧电压与电弧信号本身的精准度较低，这会导致通过测量电弧电压与电弧信号得到的振荡频率准确度较低，对于研究熔池振荡频率与熔深之间的关系会产生较大的误差。

技术实现要素：

为了解决电流对熔池进行激荡的不稳定问题以及测量电弧电压与电弧电压精准度较低的问题，本发明了一种脉冲激光激振TIG熔池检测振荡频率的熔透控制装置，以提高熔池振荡的稳定性和检测熔池震荡频率的准确度，精准的实现了对焊缝熔透的实时控制。

本发明所采用的技术方案是：一种脉冲激光激振TIG熔池检测振荡频率的熔透控制装置，该装置主要由结构激光反射成像系统与激光视觉采集系统以及脉冲激光器构成。在结构激光反射成像系统中，激光器置于XOZ平面内，与工件水平方向成30°。其中激光器靠近工件的一端至工件的垂直高度为20mm，至焊枪的水平距离为48m。激光器采用的额定电压为3 V，功率200mW，波长650nm。成像屏放置在焊枪另一侧且平行于YOZ平面，其大小为47cm×29cm。TIG焊枪与工件平面垂直，且相距10mm。激光视觉采集系统主要由在成像屏后放置的CCD工业摄像机以及计算机组成，CCD摄像机光谱响应范围为340~1030 nm，信噪比为38 dB，动态范围为大于70 dB，可实时记录变化的激光熔池反射图像。同时为降低弧光对激光熔池反射图像干扰，获得更好的投影激光图像，CCD摄像机镜头前放置650 nm的带通滤光片。脉冲激光器处于YOZ平面内，其脉冲频率为50-800Hz。该装置工作原理为：进行TIG焊焊接时，通过调整脉冲激光位置使其照射在熔池表面，给熔池一定冲击力，使熔池产生振荡，在结构激光反射成像系统中，激光器在熔池表面照射点阵激光，经熔池表面反射后成像于成像屏上，由于熔池产生震荡，点阵激光会发生变化，并利用CCD记录并采集成像屏上点阵激光的变化过程，同时CCD记录的数据实时输送到计算机内，计算机通过事先编写好的程序提取出熔池振荡特征频率，并根据熔池振荡频率选用适当的焊接参数，然后将焊接参数信号传送给TIG焊机，通过改变焊机的焊接参数，实现对焊缝熔透的实时控制。

与现有采用脉冲或变频电流激振熔池，以及测量电弧电压和电弧信号得到振荡频率的方法相比，本发明采用的一种脉冲激光激振TIG熔池检测振荡频率的熔透控制装置有以下特点：

1、相对于电流对熔池进行激振，采用脉冲激光在熔池内可进行稳定的激振，不会出现由于电弧相对工件连续行走时，电弧会发生偏移并导致熔池受到的电弧力降低，使熔池振荡水平降低，从而导致熔池振荡不稳定问题。

2、本装置能够提高检测熔池振荡频率的准确度，实现精确高效的熔透控制。

附图说明

图1 一种脉冲激光激振TIG熔池检测振荡频率的熔透控制装置示意图

图2激光变化观测原理图

图中：1、工件；2、熔池；3、成像屏；4、计算机；5、CCD摄像机；6、成像屏固定架；7、TIG焊枪；8、激光器；9、脉冲激光器；10、TIG电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实例进一步说明，本实例在一种脉冲激光激振TIG焊熔池检测振荡频率的熔透控制装置下进行实施，具体方法与步骤如下：

1、以200 mm×70 mm×3mm的不锈钢304作为焊接工件1，对其表面进行处理，去除表面油污，用砂轮打磨至出现金属光泽，将工件1放在焊接工作台上，并进行固定。

2、在结构激光反射成像系统中，开启激光器8，产生点阵状激光束，使其照射在TIG焊钨极下方工件1表面上，其目的是为了在焊接过程中，点阵激光束能够照射在熔池2表面，通过熔池2使点阵激光反射在成像屏3上。激光器置于XOZ平面内，与工件1水平方向成30°。其中激光器靠近工件的一端至工件的垂直高度为20mm，至焊枪的水平距离为48m。激光器采用的额定电压为3V，功率200mW，波长650nm。

3、开启并调节脉冲激光器9，使脉冲激光束照射在TIG焊钨极下方工件1表面上，其目的是为了在焊接过程中激光束能够照射在熔池表面；脉冲激光器9的脉冲频率为50-100HZ。

4、开启TIG焊机10，进行焊接；脉冲激光照射在熔池2表面，给熔池一定的冲击力，使熔池产生振荡。

5、通过成像屏3观察点阵激光的变化过程，其变化原理如图2并利用CCD摄像机5记录并采集成像屏3上点阵激光的变化过程，记录的数据实时输送到计算机4内，计算机4通过事先编写好的程序提取出熔池振荡特征频率，并根据熔池振荡频率选用适当的焊接参数，然后将焊接参数信号传送给TIG焊机10，改变焊机的焊接参数，实现对焊缝熔透的实时控制。