专利名称：用于在线检测钢带焊接部分的装置和方法
技术领域：
本发明涉及针对钢带焊缝的在线检测系统和方法，尤其是其将激光束扫描 到高速移动的钢带上，并且基于从钢带上反射回的激光束的反射率来在线定位 钢带焊缝。
背景技术：
通常，在钢铁车L机的冷轧过程中，在冷轧的开始步骤中，单位钢巻被焊接 在一起连成钢带，以便进行持续的轧制，并且在轧制的完成步骤中，再将钢带 沿着焊纟逢切开成为单位钢巻，其接着被传,行后续处理或作为最终产品进行 装运。从而，在冷轧过程中，不可避免地需要对这种焊纟縦行定位，以便自动 和精确ilM空制关键的处理设备，并且在输出端将钢带沿着焊缝剪切为单位钢巻。
图1是根据现有技术使用了通孔的钢带焊缝检测系统。
从图1中可以看到，传统的钢带焊缝检观係统具有安装在被输送的移动钢 带1上方的光撒t器3和下方的光探测器4。光&l寸器3被安装在检测焊缝2 所需的1體上，并且将光向下照射至嗍带1上。光探测器4安装在钢带1的下 面，检测穿过在钢带1上凿的孔5的光，以此来检领湘应的焊缝2。
这种传统的检测系统需要在舰焊缝2的地方钻孔5以舰焊缝2进行检 测。然而，这也需熟伤时停下相应的生产线，以便在钢带1上钻孔，从而生产 率下降。此外，孑L5周围形成的多余金属还会损坏戯怖引料辊或车L辊的表面。 这样，l戯怖的辊不利地将这个划痕转移到接下来的钢带上。在钢带1非常薄 或者是i^钢的地方，孔5可能使钢带1碎裂。
进一步地，在使用孔的传统焊缝检观係统中，安装在正被传送去加工的钢 带l上方的光糊t器3使用了普通光源。这种光源的寿命很短，并因此需要周 斯性地更换。由于光探测器4安驗钢带1的下方来探测穿过 L 5的光，所以 该光探测系统难于安装，并且容易被落下的灰尘敬卜来物质污染
发明内容
技术问题
本发明用于解决上述使用通 L检测焊缝的现有技术中存在的问题。因此， 本发明的某些具体实施例的目的就是提供一种在线检测钢带焊缝的系统和方 法，其能够将激光束发射到高速移动的钢带表面上，并且观糧从所述钢带反射 回的激光束的诞寸率，以此方便地在线检测钢带焊缝，而避免不得不形成通孔。
技术方案
根据用来实现任何一个这些目标的本发明的一个方面，提供了一种针对钢 带焊缝的在线检测系统。该在线检测系统包括反射率测量装置，用于對寸激 光束到移动中的钢带上，并且持续测量从所述钢带表面反射回的激光束的反射 率；以及信号处理装置，用于根据在焊Hh观糧的反射率变化来检测钢带的焊 缝。
根据本发明的一个具体实施例，优选反射率领糧装置以与钢带表面呈80° 到100。的范围内的角度持续地^lt激光束。更tMi也，反射率测量装置垂直于 钢带的表面^lt激光束。
根据本发明的一个具体实施例，反射率测量装置包括激光束发生器，以产 生激光束；聚焦透镜，用来聚焦激光束；聚光透镜，用来会聚从钢带表面反射 回的激光束；以及光探测器，用来输出与会聚到的激光束反射率相应的电信号。 这里，反射率测量装置可以进一步包括光束调节器，用以调节激光束发生器产 生的激光束的横截面，其中，该光束调节装置设置于激光束发生器和聚焦透镜 之间。
根据本发明的一个具体实施例，光束调节器优选将照射到钢带表面上的激 光束调节形成直径为4到6 ^的圆形光斑，或宽度为2到5 ，并且长度为 30到50毫米的线形光斑。
根据本发明的一个具体实施例，聚焦透镜可以包括球面邀竟或柱面透镜。
根据本发明的一个具体实施例，照射至搠带表面上的激光束可以是点、圆 和线中的任一个形状。
根据本发明的一个具体实施例，如果从钢带表面上的一，定点返回的激 光束的鄉率超过预先设定的临界值，贝瞻号处理體将该特定点确定为焊缝。
根据用来实现任何一个这些目标的本发明的一个方面，提供了一种在线检 测钢带焊缝的方法，包括如下步骤(a)将激光光束鄉到传送中的钢带表面上；(b)持续探测从所述表面反射回来的激光束；(c)测量反射回来的所述激 光束的则寸率；并且(d)根据戶，反射率的变化5W焊纟1^行定位。
根据本发明的一个具体实施例，步骤(a)产生激光束并且聚焦该激光束， 以便照射到传送中的钢带上。这里，步骤(a)可以进一步包粗周整所产生的激 光束的横截面大小。
根据本发明的一个具体实施例，步骤(a)垂直于钢带表面划力敫光束。
根据本发明的一个具体实施例，如果从钢带表面上的一特定点返回的激光 束的反射率超过预先设定的临界值，步骤(d)贝i將该特定点确定为焊缝。
有益效果
根据以上阐明的本发明的某些具体实施例，能够容易地在线检测高速移动 的焊缝，而不用使用现有技术中的通孔。
此外，根据本发明的某些具体实施例，因为通孔不是必要的，所以可以提 高冷轧产品的生产效率，并且也能从实质上解决诸如划痕和碎裂的问题。
而且，根据本发明的某些具体实施例，通过将激光束持续地照射到钢带表 面上，并且根据焊缝和普通钢带表面之间的反射率差异来对焊纟縦行定位，有
可能容易和精确地对焊纟M行在线检测。
图l的结构示意图说明了现有技术中利用了通 L的针对钢带焊缝的检领孫
统；
图2的结构示意图说明了依据本发明一种具体实施例的针对钢带焊缝的在 线检测系统；
图3为本发明的针X寸钢带焊缝的在线检测系统的详细结构图； 图4的顶视图说明了根据本发明一种具体实施例的聚焦至嗍带表面上的激 光束光斑的例子；
图5的咅腼图说明了根据本发明一种具体实施例的通过闪^W接焊而形成 的焊缝形状；
图6的曲线图说明了根据本发明一种具体实施例的通迚激光反射测量 获得的焊缝检测信号；
图7和图8的曲线图说明了根据本发明一个具体实施例的由在线检测系统 在焊纟li:所检测到的激光反射信号的例子；图9的流程图说明了根据本发明一个具体实施例的在线检测钢带焊缝的方法。
具体实施例方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的iM实施例。
图2的结构示意图描述了根据本发明一种具体实施例的针对钢带焊缝的在 线检测系统。
参见图2，本发明的针对钢带焊缝的在线检观孫统100包括一个激光反射率 测量装置110和一个信号处理装置120。尽管在图中只显示了一个激光反射率测 量装置IIO，但这仅仅是本发明的一个示意性的具体实施例。在本发明的另一个 具体实施例中，可以根据钢带1的宽度提供两个或更多的激光反射率测量装置。
激光反射率测量装置持续发射激光束到传送中的移动钢带上，并且持续测 量从所述钢带表面上返回的激光束的反射率。优选地，激光束的反射率是用来 表明从移动的钢带1表面反射回来的激光束强度的指数，并且根据钢带自身的 反射率或吸收率、钢带的特性、表面粗f驢、表面不平整性、表面形状等等而 被检测为不同。
信号处理装置120综合分析由激光反射率测量^fi 110所测量的激光束反 射率，以便定位焊缝2。当l鹏缝2反射时，从钢带1表面上反射回的激光束的 反射率(或强度)具有一个确定值，该值不同于被钢带1的其他部分戯寸的激 光束的反射率的值。因此，将来自钢带1上其他部分的反射率和来自焊缝2的 反射率作对比，以确定焊缝2是否已经通过了照節敫光束的位置。以这种方式， 信号处理装置120倉,通过测量在移动的钢带1上的焊缝2处反射回来的激光 束的反射率变化正确且精密地测量钢带1上的焊缝2。
这里，ife^激光反射率测量驢110擀卖對t激光束到钢带1的表面上， 入射角为80°到100°。
更,垂直于钢带i的表面:tlt激光束。当激光束在钢带上的入射角接近 于直角时，激光束的反射角同样接近于直角。那么，反射激光束能够更有效地 被会聚起来，并且更容易领懂反射率。换句话说，当入射角接近于直角并且激 光束的反射角越小时，会聚的反射、激光束较多，这是因为从钢带i表面反射和 散射回来的激光束被会聚起来测量激光束的反射率。因此，当激光束基本上以 直角照射时，反射率测量的可靠性较高。图3是本发明针对钢带焊缝的在线检测系统的具体结构图。 参见图3，根据本发明的该具体实施例的针对钢带焊缝的在线检测系统主要 由激光反射率测量，110和信号处理，120组成。激光反射率测量装置110
包括一个激光束发生器lll， 一个聚焦 113， 一个聚;)titltll4和一个光探 测器115。供选地，如图所示，反射率测量装置110可以进一步包括一个 Ll12， 用以调整激光束的横截面。
激光束发生器111产生激光束并照射至够动着的钢带1的表面上。激光束 发生器111例如通过半导術敫光器mf来产生激光束。任选地，孔112可以调 整激光束的横截面。孔112可以位于激光束发生器111和聚焦透镜113之间， 以便不断ifc 中激光束发生器111产生的激光束的横截面进行调整。
聚焦透镜113对横截面经孔112调整过的激光束进行聚焦，以便激光束照 射到移动着的钢带1的表面上。聚焦透镜113可以为球面透镜或柱面透镜。这 里，照谢到钢带上的激光束的形状可以根据聚焦透镜113的类型的不同而变化。
聚光透镜114会聚从钢带1表面上反射回来的激光束。聚光 114将从 钢带1表面反射回来的激光束发送到光探测器115上。
光探测器115在接收由聚光透镜114会聚的反射激光束时，将激光束转换 成为与激光束的反射率相对应的电信号。就是说，光探测器115优选输出与反 射激光束的强度相对应的电信号。光探测器115可以为单探测器或阵列探测器。
对应于<率的电信号从光探测器115传送至信号处理装置120，信号处理 装置120根据电信号而检湖,带1上的焊缝2。例如，当钢带1上一^t寺定点的 电信号超过预先设定的临界值或者在一个特定点的电信号改^^过预先设定的 参考值时，该特定点就被确定为焊缝。
图4为根据本发明一个具体实施例的顶视图，说明了聚焦到钢带表面上的 激光束斑点。
如图4所示，對寸至够动钢带1的表面上的激光束光斑可以为不同的形状。 这种激光束的皿會,由聚焦透镜113的类型决定。例如，当聚焦透镜113是 球形时，照J才到钢带1上的激光束就会形成在图4 (a)和(b)中所示的点状或 圆形光斑。当聚焦透镜113是圆柱形时，照射到钢带1上的激光束就会形成一 个如图4中(c)和(d)所示的水平或垂直线形光斑。尽管图中没有画出，作 为一种供选的具体实施例，激光束可以适合于形成长方形光斑或者两条线相交的十字形光斑。
聚焦到钢带1表面上的每个光斑大小可以根据聚焦透镜113的焦距f发生变 化。例如，当聚焦透镜113为球形时，光斑直径a随着球状ifl竟的焦距的增大 而增大的程度要比随球状透镜与钢带之间的距离增大而增大的程度大。此外，
当球状透镜的焦距固定时，光斑直径a与穿过孔112的激光束直径成比例地增 大。根据该具体实施例，光梦殖径a能够容易土 过孔112和球状透镜的焦距 来调整。
同样的，当聚焦透镜113为柱状时，线形光斑划t到钢带1的表面上。在 这种情况下，光斑长度L1或L2同样能够通过 L 112而容易地进行调整。这个 线性光斑的长度L1或L2与激光束穿过的孔112的横截面尺寸相等。根据该具 体实施例，运用孔112和球状或柱状的聚焦透镜113，能够在钢带l的表面上形 成图4中所示的各种光斑形状。
在钢铁轧机的冷轧步骤中，可以根据钢带的成分和厚度选择执行几种类型 的焊接方法，而根据这些类型的焊接方法所焊接的形状也是不同的。在冷轧过 程中将两賴巻焊接连接在一起的地方形成了具有如图1和2所示的某一宽度 的条状或带状焊缝。这种类型的焊缝影响着光反射率测量装置110的光探测器 的运行效果，涉及到的因素如下-
(1) 条状焊缝的激光束反射率或吸光率
(2) 条状焊缝的表面粗*
(3) 条状焊缝的特征(粗糙度或弯曲)
(4) 条状焊缝的宽度
在这些因素中，因素(1)到(3)决定光探测器的输出振幅，并且因素(4) 决定输出信号的时间间隔。焊缝上激光反射率的改变由焊缝的形状决定，而焯 缝的形状又根据焊接类型而变化。在钢铁轧机的冷轧过程中所执行的焊,型 包括闪光对接焊、激光焊、网缝焊接等等。在钢带相对厚的地方，对接焊通过 闪 接焊或激光焊的方式执行。在薄钢带例如钢片的情况下，搭头焊接就通 过网缝悍接方式执行。
图5的剖面图说明了根据本发明一个具体实施例的通过闪M接焊所形成 的焊缝靴。在钢铁车L机的冷车L过程中，闪舰接焊在酸洗连续冷轧机组(PCM) 上执行。这种焊接留下一个焊珠53，其会损伤引料辊和轧辊。为了防lLh述瞎况的出现，执行清理焊缝54的操作。焊缝清理后的部分55显示了内部的钢带
材料，具有非常高的光滑度(对激光束的反射率)。因此，i辦缝在钢带的宽度
方向上形成一个宽度为数十毫米的高光滑度的条55。另一方面，激光焊接留下 一个宽度窄(例如lmm至2mm)并且高度小的焊珠。因为没有执行焊缝清理 操作，焊珠接下来经受折叠或开槽，因此形成一个不规则的表面结构。焊珠的 不规则的表面结构主要改变了激光束的反射角，使激光反射率测量装置110的 光探测器的输出产生变化。网缝焊接被应用于薄钢带的搭头焊接，因此形成阶 梯状焊缝。焊缝的阶梯与每賴带的厚度相应，并且在钢带的厚度方向上延伸。 网缝焊接的阶梯同样会改变激光束的反射角，从而使得激光反射率测量装置110 的光探测器的输出发生变化。
图6的曲线表明了根据本发明一个具体实施例的激光反射率测量装置获得 的焊缝检测信号。
如上戶腐，根据焊接类型，激光反射率测量装置10的光探领螺的输出可能 因为不同因素而不同。因此，在如图6所示的焊缝处激光束的反射率的改变将 同样会不同。为了克服这禾中因为焊接方法类型不同而导致的激光反射率变化的 问题，可以调节用于确定焊缝的参考信号电平(以下将简称为"确定焊缝信号电 平，)和用于确定焊缝的信号时间间隔(以下将简称为"确定焊缝的时间间隔"或 "时间间隔")AT。换句话说，当根据焊缝类型而设定确定焊缝信号水平和确定 焊缝时间间隔AT时，就能确保稳定地在线焊接检测而与焊麟型无关。
再次参考图6，在试图根据由光探测器所测得的反射激光束的反射率变化检 测焊缝的情况下，当光探测器在普通钢带表面上和在焊缝上领糧时的输出差别 较大，并且当光探测器在焊缝上的检测信号具有较大的时间间隔时，會滩更稳 定地检测出焊缝。在图6中，参考符号A^表示了在钢带1的表面上测得的反 射率的偏差，该偏差源于移动钢带1的振动或与表面缺陷有关的噪音。当焊缝 通过检测点时，光探测器的输出变化的振幅为AlwH+AlwL，时间间隔为AT。 为了稳定地检测图6的焊缝，需要满足以下^i牛。
数学图l
也就是说，光探测器的振幅输出变化AIWH+AIWL需要远远大于由于钢带振动或表面缺陷所弓I起的反射率偏差Ain。同样需要光探测皿焊缝处输出变化的
时间间隔AT保持稳定。在光探测器输出变化的时间间隔AT保持稳定的情况
下，就能够除去导致错误的检测因素，如由钢带表面缺陷导致的光探测器输出
改变。这是因为当由于钢带表面缺陷引起光探观U器的输出改变时，时间间隔AT 通常是不稳定的。
图7和图8的曲线图举例说明了根据本发明一种具体实施例的由在线检测 系统在焊缝处检测到的激光反射信号。
图7的曲线显示了光探测驗闪舰接焊缝处检测到的信号波形，并且图8 是在实际冷轧处理中产生的在线数据，该数据^I31增大图4 (b)中所示的圆 形光斑使其直^/人lmm增加到30mm所获得的信号波形。根据该具体实施例， 当激光束的圆形光斑具有的直径太小时，指示焊缝的信号很难与钢带表面上的 细小突出和凹陷所带来的噪音区别开来。另外，当圆形光斑太大时，光探测器 11自身输出太小的值。因此，能够理解当光斑直径在4mm到6nun的范围并且 更雌地是5mm时，焊缝的信号是最容易被检测到的。根据另一个具体实施例， 尽管图中没有显示，当^M的激光束在钢带表面上形成一个线形光斑且该线形 光斑的宽度范围为2mm到5mm、长度范围为30mm到50mm时，可以很容易 进行检测。线形光斑上的这些 是通过大量试验而获得的结果，这些数据表 明了在这样的长度和宽度时，反射激光束是容易进行探测的。
如图6所示，圆形光斑的最佳尺寸和/或其最佳，随着焊^型而发生 变化。因此，当选取了最佳的光斑尺寸和形状后，就能根据本发明很容易地在 线检测当前在钢铁车L机的冷轧过程中执行的任何焊麟M^f形成的焊缝。在图7 的曲线中，当激光束从钢带1的表面反射回来时，从普通钢带表面检领倒的反 射率信号电平A和从焊缝处检测到的反射率信号电平B 二者对应的激光反射率 之间存在显著的差别。将这两个反射率信号电平互相对比，以便对焊纟lit行定 位。尤其是，当特定点处的反射率信号电平为预先设定的参考信号电平或指示
性的波形电平AlwL或更大，则该特定点就被确定为焊缝。
图9的流程图说明了根据本发明一种具体实施例的针对钢带焊缝的在线检 测方法。
根据图9，在S900中产生发射至够动着的钢带1表面上的激光束，并且在 S902中调整激光束的横截面。在这里，可以选择性地执对^1整激光束 面的步骤S902。在S904中激光 过聚焦透镜112聚焦，并且在S906中照射到移 动中的钢带1的表面上。在这里，激光束，以直角照射到钢带1表面上。
当激光束照射至嗍带1的表面上时，激光束从表面反射回来。在步骤S908 中不断地探测反射的激光束，并且在步骤S910中提取其反射率。反lt激光束的 反射率是表明其光强的指数。当不断提取出来的反針激光束的反射率显示出在 Ht定点或间隔处的光强大于预先设定的阀值时，则这个点或区间就在S912和 S914中被确定为焊缝。
在这个过程中，不断地探测从钢带表面反射回来的、激光束，并根据焊缝上 的反射率信号与钢带普通部分上的反射率信号之间的不同5W焊纟ia行定位。
在上述步骤S912中，当反射率信号电平大于预先设定的阀值电平，并且反 射率信号宽度在预先设定的范围内时，相应的点将被确认为焊缝。这是为了从 由于突出和凹陷噪声引起信号电平瞬时急居U升高的情况中^f拙实际的焊缝。
如上所述，针对钢带焊缝的在线检测系统和方法可以包括至少两个激光反 射率测M置llO。在这种情况下，就可會隨过使用来自fti可一个激光反射率测 量装置110的探测信号或将两个或更多的探测信号结合起来检测焊缝。这是为 了将在钢带宽度方向上延伸的焊缝或带55从局部形成的高光滑度的表面缺陷中 区分出来。由于这种局部高光滑度的表面缺陷没有统一的形状，当在钢带宽度 方向上的两个或更多个点上测量激光反射率时，极不可能从两个或更多的缺陷 处得到相等的检观幅号。因此，当在钢带宽度方向上安装更多的反射率湖糧装 置110时，将很少发生由于表面影响导致的错误检测。
工业实用性
根据上面阐明的本发明的某些具体实施例，可以很容易地在线检测高速移 动的焊缝，而不使用现有技术中的通孔。此外，由于通孔不是必要的，所以能 够提高冷轧生产的生产力，并且也可以实质上排除诸如划痕和碎裂的问题。
而且，根据本发明的某些具体实施例，有可能通过将激光束持续照射到钢 带表面上并且根据焊缝和普通钢带表面之间反射率的不同舰焊纟縦行定位， 从而容易并精确iM焊,行在线检测。
应当理解，尽管已经结合附图并相应于某些具体实施例对本发明进行了解 释说明和描述，但这些具体实施例和附图仅仅是解释性的，并且本发明绝非仅 限于此。相反，可以预期到本领域技术人员无疑能够想到包含本发明原理的改良的和等同的方案。因此，预期并且希望本发明将由附属的权利要求书的的全 部精神和范围来限定。
权利要求
1. 一种针对钢带焊缝的在线检测系统，包括反射率测量装置，用于将激光束发射到移动着的钢带上，并且持续测量从所述钢带表面返回的激光束的反射率；以及信号处理装置，用于根据在所述钢带焊缝上测量到的反射率变化来检测所述焊缝。
2. 如权禾腰求1所述的在线检测系统，辦征在于，所述反射率测量驢 以与钢带表面呈80。到腦。的范围内的角度不断地^lt激光束。
3. 如权利要求2戶腿的在线检坝係统，其特征在于，戶脱反射率测量装置 垂直于钢带表面^M所述激光束。
4. 如权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，所述反射率测量驢 包括激光束发生器，用于产生激光束； 聚焦M，用于聚焦、激光束；聚光透镜，用于会聚/A^述钢带表面反射回来的激光束；以及 光探测器，用于输出与所会聚激光束的则寸率相对应的电信号。
5. 如权利要求4戶脱的在线检测系统，^#征在于，所述反射率测量體 进一步包括光束调节器，用于调节所述激光束发生器产生的激光束的横截面。
6. 如权利要求5戶腿的在线检测系统，其特征在于，戶满光束调节器将照 射至,述钢带表面上的激光束调节为直径4mm到Um的圆形光斑或宽度为 2mm到5mm且长度为30mm到50mm的线形光斑。
7. 如权利要求4戶腿的在线检测系统，其特征在于，所述聚焦透镜包括球 面纖或柱面纖。
8. 如权利要求4所述的在线检测系统，其特征在于，照射至lJ戶脱钢带表面 上的激光束具有选自点、圆和线的一种开邻。
9. 如权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，如果;A^F^钢带表面 上的—待定点返回的激光束的反射率超过预先设定的阀值，则所述信号处理装 置将其确定为焊缝。
10. —种针对钢带焊缝的在线检测方法，包括以下步骤(a) 将激光束^M到传送中的钢带表面上；(b) 持乡鄉糧/A^M表面返回的激光束；(c) 测量所述蹈t激光束的反射率；以及(d) 基于所述反射率的变似寸所述焊驗行定位。
11. 如权利要求10所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(a)产生并且 聚焦激光束，以便于照射到戶皿传送中的钢带的表面上。
12. 如权利要求11所述的在线检测方法，其特征在于，步骤(a)进一步包 括调整所产生的激光束的横截面大小。
13. 如权利要求10戶脱的在线检测方法，其特征在于，步骤(a)将戶欣激光束垂直地，到戶，钢带的表面上。
14. 如权利要求10戶/M的在线检测方法，其特征在于，步骤(b)持续探测 从设置在戶皿钢带的宽度方向上的至少两个点反射回来的激光束。
15. 如权利要求10戶服的在线检测方法，其特征在于，步骤(d)包括如果 从所述钢带表面上的特定点返回的激光束的反射率超过预先设定的阀值，贝IJ将 戶脱钢带表面上的特定点确定为焊缝。
全文摘要
提供了一种针对钢带焊缝的在线检测系统和方法，其能够发射激光束到高速运动的钢带表面上，并且测量反射回来的激光束的反射率，从而很容易地在线检测所述钢带焊缝。在该在线检测系统中，反射率测量装置将激光束发射到移动着的钢带上，并且持续测量从所述钢带表面上返回的激光束的反射率；并且信号处理装置基于在所述焊缝上所测得的反射率变化来检测钢带焊缝。
文档编号G01N21/47GK101416044SQ200680048140
公开日2009年4月22日 申请日期2006年5月26日 优先权日2005年12月23日
发明者吴基庄, 孙光虎, 孙基三, 崔承甲, 李常镇, 林忠洙 申请人:Posco公司