专利名称：基于特征元素等离子体光信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法
技术领域：
本发明涉及激光焊接过程中焊接缺陷在线诊断领域，具体为一种基于特征元素等 离子体光信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法。
背景技术：
我国的段爱琴等人利用高速摄像及光信号监测两种手段对等离子体的动态变化 过程及其对焊接稳定性的影响进行了深入的研究。提出了等离子体的变化每个周期内分 为四个阶段，而影响焊接稳定性的根本原因是等离子体在穿透与未穿透之间的波动。另外 还提出背面熔池红外信号测量和正面多传感器信号融合两种不稳定穿孔过程实时判别方 法。利用这两种判别方法，对不锈钢的焊接过程进行判断，结果显示，在本文的研究条件下， 对单条焊缝和不同的焊缝分类识别率都接近100%。综合以上研究结果，在激光全熔透焊 接过程中，严格选择焊接参数，在焊接过程中维持合理的背面熔池长度，既可获得稳定的穿 孔过程，亦可降低气孔等缺陷产生的概率，同时也能控制焊缝的组织形成，对此进一步的研 究，将为实际焊接过程的质量严格控制提供理论基础和实施方法。胡伦骥等人利用光致等 离子体声信号来监测焊缝熔透性的一种方法。文中通过试验研究，获得了焊缝熔透性变化 时，光致等离子体声信号的变化规律，从而建立了一种可面监测焊缝熔透性的方法。该方法 研究中从信号的强度上分析了激光功率变化时，等离子体的声信号的变化规律，通过声信 号特征频率来判定焊接熔透性。朱琼玉等人研究不同间隙下激光拼焊的焊缝质量及其对应 的信号特征，采用自制同轴传感系统采集提取多种间隙下焊接时的同轴光信号，并对信号 进行众数分析、分段功率谱分析和小波分析。结果表明，同轴光信号幅值的总数在不同间隙 的焊缝段，聚集在线性可分的不同的区间，可以有效分开焊接质量不同的I类、II类、III类 焊缝，信号的分段功率谱分析能够较为直观地反映焊接状态的变化。同轴光信号小波分解 后的第4层逼近信号，可以直观地识别出质量好的I类焊缝。同轴光信号的第3层、第4层 细节信号可以清晰地辨识出质量低劣的Π类焊缝。该方法虽然可以对相应的焊接过程、焊 缝接头质量进行对比研究，探求信号特征与焊接质量之间的内在联系。张林杰等人利用CCD 高速摄影研究了不同侧吹条件下激光深熔焊接过程中光致等离子体形态的变化，建立了模 拟激光深熔焊接过程气体流场的二维可压缩模型，计算了侧吹喷嘴高度和侧吹流速的变化 对激光焊接光致等离子体的影响。该检测方法采用优化的侧吹喷嘴高度和侧吹流速可以有 效地抑制光致等离子体，使焊接过程热传递效率得到了提高。Miyamoto and Maruo等人利用光谱计算获得了 CO2激光焊接钢时的电子密度等， 在激光功率分别等于2kW和3kW，氩气保护时，距表面0. 5mm高度，其电子密度为2 X IO16 2\101701^，而电子温度为9000-130001(左右；Szymanski and Kurzyna等人在氦作为保护 气体焊接钢时，获得表面等离子体的电子密度为4X1016cm_3，电子温度为8000K ；在相同条 件下，氩气作为保护气体时，电子密度为8. 5 X IO1W3,电子温度为8600K ；其他研究人员也 获得相差不多的结论；苏彦东博士则通过对0)2激光焊接光谱的研究，计算获得了电子密度与焊接熔深、焊接线能量的关联，并描述了等离子体对焊接过程的影响；B. J. Aalderink等人研究了 YAG激光拼板焊接时，光谱的主要分布特征。这些研究员都是从光谱分析法的角 度来分析激光焊接过程中的等离子体的温度、电子密度的。由于激光焊接过程中，声、光信 号也是容易产生的。声光信号反映了激光焊接过程，并与焊接质量具有一定的相关性，因而 利用声、光等信号来监测焊接质量成为一个重要的研究方向。早期利用红外和紫外传感器 进行激光焊接过程研究的有 W. M. Steen, H. B. Chen、D. J. Brooktield and K. Williams 等， 主要是利用红外和紫外光的强度来识别几种焊接状态，其中包括满足质量要求的焊缝、存 在表面缺陷的焊缝、未焊透缺陷，其结果表明红外及紫外光在实时监测焊接质量上具有优 势。而D. Maischner等，开发了一种从工件上方和下方的金属蒸气等离子体光信号特征确 定焊接熔透性的方法在下方，监测信号与小孔开合同步时的有无，在上方，金属蒸气等离子 体光信号的波动频率与穿透性相关。P. G. Sanders等人，研制了一种用于监测焊接熔透性 的红外传感器，完全穿透时低频红外信号强度突然减小，红外信号强度与穿透深度之间有 线性关系。而S. Postma在红外传感器系统的研究上获得了相同的结果。可听声的研究可 以追溯到Dixon and Lewis (1983)，利用其监测YAG (400W)焊接铝合金及不锈钢时的金属 蒸气等离子体，结果表明，在时域中金属蒸气等离子体的起始可以从可听声信号所记录的 峰值及相关的紫外光信号波动中获得；R. Dixon and G. Lewis研究了激光点焊铝合金及不 锈钢时可听声信号、紫外光信号与焊缝形状及穿透性的关联，用麦克风测量金属蒸气等离 子体的速度，表明其为亚音速，随着点焊尺寸及穿透深度的增加，金属蒸气等离子体的波动 增加；Gu andDuley设计了一种统计方法来监测激光焊接状态，利用线性判别式运算法则分 为三类，对过热其检出率是83 %，全部穿透是67 %，而75 %则是部分穿透；H. Zeng利用麦克 风识别拼缝间隙与轨迹未对准，结果显示焊接缺陷出现在低频(小于1562Hz)段并可实时 监测到；D. Farson等利用可听声与紫外光进行焊接熔透监测，研究表明两种信号之间密切 相关，利用线性方式对焊接状态进行分类，结果显示可靠性在88% -98% ；S. Charton等在 研究中使用了频域和时域的分析方法，所提取的特征信号与参数库中的相比较，研究结果 表明检测误差取决于缺陷的大小，缺陷越小越难检测，利用多传感器可增加检测的可靠性； S. Postma等设计了一种碳钢熔透性的反馈控制器，主要用于YAG激光焊接，这一系统主要 基于对熔池光信号的测量，并用激光功率作为激励器，光探测器通过带宽为500Hz的低通 滤波分析器，信号采集频率20kHz，由DSP计算并控制；Allen Sim等设计了一种多传感器融 合的实时检测系统，其中包括红外、紫外光及可听声传感器、声发射传感器，来监测激光焊 接的熔透性，并已用于CO2激光搭接焊。上述研究采用各种方法对焊接过程进行了检测，然而没有文献对镀锌钢激光添粉 焊接过程中特殊焊接缺陷，如气孔做相关研究。本发明针对镀锌钢激光焊接过程中锌层易 气化成大量锌蒸气，锌蒸气使得焊接过程易产生多种焊接缺陷，如焊缝气孔、凹陷等，在添 加异种金属粉末抑制锌蒸气产生的基础上，利用焊接过程特征元素等离子体光信号实时检 测对镀锌钢激光添粉焊接过程焊接缺陷进行在线诊断。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种基于特征元素等离子体光信号的镀锌 钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法，该诊断方法可采集等离子体光信号对激光焊接过程中的添粉量进行在线监测；并可采集与焊接缺陷密切的等离子体光信号，通过 分析信号的特性在线实时判断出焊接缺陷是否出现及出现的时刻，以期用于实际生产中激 光焊接过程中缺陷的在线监测，为下一步激光焊接过程在线质量监控做前期基础工作。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是所述基于特征元素等离子体光 信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法，包括工作台，固定在工作台 上的镀锌钢；在所述镀锌钢焊接部位正上方设有焊接头，该焊接头内设有聚焦镜，所述镀锌 钢焊接部位侧上方设有多个光敏传感器，该光敏传感器通过信号线将采集的等离子体光信 号直接保存并显示在计算机中，其特点是，激光束聚焦后对镀锌钢进行激光焊接；同时利用 光敏传感器采集镀锌钢激光添粉焊接过程中的特征元素等离子体光信号，采集的特征元素 包括镀锌钢本体材料的特征元素和所添加的粉末材料的特征元素，通过特征元素对等离子 体光信号的在线监测得出焊接过程中材料的特征元素的种类和对应特征元素的添加量m ； 最后得出所述镀锌钢本体材料被电离产生的特征元素等离子体光信号的强度I与焊接缺 陷之间的关联镀锌钢激光焊接过程，当特征元素等离子体光信号的强度I处于动态稳定 时无焊接缺陷产生；当特征元素等离子体光信号的强度I急剧变化或波动时产生焊接缺 陷，所述焊接缺陷包括气孔、焊缝表面的凹陷；所添加的粉末材料的特征元素等离子体光信 号的强度I与单位时间内所添加对应特征元素的添加量m呈近线性关系I = Kl*m+K2，其 中K1、K2为相应的常数；通过采集激光添粉焊接过程中粉末材料对应元素的等离子体辐射 光信号强度I，获得所添加的粉末量，从而判断焊接过程中焊接缺陷的产生当粉末材料特 征元素等离子体光信号强度增加时，对应特征元素添加量增加，从而焊接过程锌蒸气较少， 焊接缺陷产生概率减小；当粉末材料特征元素等离子体光信号强度降低时，对应特征元素 添加量减小，从而焊接过程锌蒸气增多，焊接缺陷产生概率变大。
所述单位时间内所添加的特征元素的量m取值范围为l-20g/min。激光焊接过程本质为一动态波动过程，只有稳定的动态波动焊接过程才能得到良 好的焊缝，而对应此时的等离子体光信号也是处于动态稳定波动状态，因此在对应元素信 号波动平稳时不产生焊接缺陷，当信号突然变化时产生时，就会产生焊接缺陷。所述添加的粉末材料为铜粉，焊接过程中所述光敏传感器同时采集了三种特征元 素的等离子体光信号，分别为粉末材料中的铜元素等离子体光信号、镀锌钢中的锌元素等 离子体光信号、镀锌钢中的铁元素等离子体光信号；采用光敏传感器在线监测铜粉添加量光敏传感器采集的特征元素等离子体光 信号为铜元素等离子体光信号，相应的铜等离子体光波长分别为510. 55nm、515. 32nm和 521. 82nm，光敏传感器只采集相应波长的等离子体光信号。采用光敏传感器在线监测锌等离子体光信号由锌等离子体光信号强度判断锌的 气化量，相应的锌等离子体光波长分别为334. 5nm、481. Onm，光敏传感器只采集相应波长的 等离子体光信号。采用光敏传感器在线监测铁等离子体光信号由在线监测铁等离子体光信号是 否处于稳定波动状态诊断焊接缺陷的产生，相应的铁等离子体光波长分别为394. 52nm、 402. 45nm，光敏传感器只采集相应波长的等离子体光信号。将采集的上述铜、锌、铁三种特征元素的等离子体光信号，通过等离子体光信号在 线实时诊断焊接缺陷时同时观测三种等离子体光信号变化特征铜元素等离子体光信号直接对应锌蒸气的量，铜等离子体光信号检查锌蒸气是否被减少，锌是否被固熔在焊缝中，锌 蒸气的量的减少则焊接过程中焊接缺陷产生的概率减少，铜粉末增加则锌蒸气减少，对应 铜元素等离子体光信号增强，焊接缺陷产生概率减小；锌等离子体光信号强度与焊接过程 中气孔的产生关系密切，锌等离子体光信号可诊断焊缝气孔，同时通过锌等离子体光信号 强度与锌元素量的关联可以判断焊接过程锌层的损耗量；通过铁等离子体光信号的变化诊 断焊缝表面气孔缺陷，综合判断等离子体光信号与焊接缺陷之间的关联。本发明针对镀锌 钢激光添粉焊接过程。镀锌钢直接激光焊接极易产生焊接缺陷， 采用添粉焊接能够改善焊接过程减少焊接缺陷，所添加的粉末量与焊接缺陷是否产生有对 应关系。所添加的粉末如铜粉、镍粉、等。粉末添加的方式为同步送粉或预先添粉，其中同 步送粉方式可采用同轴送粉、侧向送粉两种。本发明是基于特征元素等离子体辐射光谱信号的在线监测手段。在激光焊接过程 中材料吸收激光能量进而熔化汽化电离，电离产生的等离子体辐射出光信号。不同元素的 等离子体辐射光对应特殊的光波长，某种元素等离子体辐射光强度不同对应该元素被电离 的量不同。由此通过等离子体光信号的在线监测可得到焊接过程中材料的元素种类和对应 元素的量。采用光敏传感器采集焊接过程中的特征元素等离子体辐射光谱信号。对应的特 征元素包括镀锌钢的特征元素和所添加的粉末材料的特征元素，如铁、锌、铜、镍等元素的 等离子体辐射光谱信号。此处所描述的焊接缺陷主要包括两种特殊的焊接缺陷焊缝表面的气孔、凹陷，焊 接过程中锌的损耗量。对于镀锌钢镀锌层的作用为防止钢材腐蚀，焊接过程中锌的减少必 定对镀锌钢镀锌层的防腐蚀性能有所降低，因此监测焊接过程中锌的损耗量亦是其中部分 主要目的。本发明通过采集镀锌钢激光添粉焊接过程中的特征元素等离子体光信号诊断焊 接缺陷，其中相关等离子体光信号与焊接缺陷之间的关联主要包括两部分一是所添加粉 末材料被电离产生的特征元素等离子体光信号与焊接缺陷的关联；二是镀锌钢本体材料被 电离产生的特征元素等离子体光信号与焊接缺陷的关联。等离子体光信号与焊接缺陷的关联一所添加粉末材料被电离产生的特征元素 等离子体光信号与焊接缺陷的关联。镀锌钢激光焊接过程中，由于镀锌层的极易气化产生 大量锌蒸气影响焊接稳定性，使得焊接过程易产生多种焊接缺陷。为解决因锌蒸气而产生 的焊接缺陷，可采用在焊接过程中添加特殊元素使镀锌层与添加的材料反应形成冶金固溶 体，将锌保存在焊缝中，减少锌蒸气的产生，从而减少锌蒸气引起的焊接缺陷。当所添加的 粉末材料较少时，不足以较少锌蒸气的产生，大量锌蒸气将对焊接过程产生不利影响以致 出现各种焊接缺陷；当所添加的粉末了适当时，粉末材料将锌固化在焊缝中，减少了锌蒸气 从而减少了相应的焊接缺陷；当所添加的粉末量过多时，焊缝中将大量增加了异种元素而 使得焊缝的机械性能改变。由此可知，焊接过程中所添加的粉末量与焊接过程产生的焊接 缺陷存在间接关联，且只有适当的粉末添加量才能得到理想的焊接效果，对所添加的粉末 量的监测是观测是否得到理想焊接效果的重要手段。在激光添粉焊接过程中如果采用同步 送粉，其送粉速度可有送粉装置控制，但送入到焊接部位的实际粉末量是一个不确定的波 动值。因此对焊接过程中粉末的添加量的实时在线监测是间接诊断焊接缺陷的一种可行的 方法。而采用前面所述的基于特征元素等离子体辐射光信号是实现粉末添加量在线监测的有效方法，如图4所示，在大量实验的基础上我们已得出粉末添加量与等离子体光信号强 度存在一线性关系。通过采集激光添粉焊接过程中粉末材料中对应元素的等离子体辐射光 信号强度，可判断所添加的粉末量，从而间接判断焊接过程缺陷的产生。镀 锌钢激光焊接中，锌的蒸气量减少有利于焊接缺陷产生概率的降低，添加材料 铜与锌产生的固熔体可以直接减少锌的蒸发，因而铜元素等离子体光信号增强对应于焊接 缺陷产生概率的降低；锌等离子体光信号在产生焊接气孔时会出现剧烈波动，如图5、6所 示，试验表明在锌等离子体光信号剧烈波动的波峰与波谷处均有可能产生焊接气孔，且在 波峰时产生焊接气孔的概率更大。铁等离子体光信号的变化与焊缝表面气孔缺陷的关联 相似于锌等离子体与焊接气孔的关联，在产生焊接气孔时会铁等离子体光信号出现剧烈波 动，在信号剧烈波动的波峰与波谷处均有可能产生焊接气孔，且在波峰时产生焊接气孔的 概率更大。等离子体光信号与焊接缺陷的关联二 镀锌钢本体材料被电离产生的特征元素等离子体光信号与焊接缺陷的关联。锌 等离子体光信号在产生焊接气孔时会出现剧烈波动，试验表明在锌等离子体光信号剧烈波 动的波峰与波谷处均有可能产生焊接气孔，且在波峰时产生焊接气孔的概率更大，如图5、6 所示。铁等离子体光信号的变化与焊缝表面气孔缺陷的关联相似于锌等离子体与焊接气孔 的关联，在产生焊接气孔时会铁等离子体光信号出现剧烈波动，在信号剧烈波动的波峰与 波谷处均有可能产生焊接气孔，且在波峰时产生焊接气孔的概率更大。本发明是一种用于实际生产中镀锌钢激光添粉焊接过程在线监测诊断焊接缺陷 的方法，可通过监测焊接过程中的实时等离子体光信号直接判断焊接缺陷是否产生，以及 焊接缺陷产生的时段，以期用于实际生产中激光焊接过程中缺陷的在线监测，为下一步激 光焊接过程在线质量监控做前期基础工作。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明实现了利用采集等离子体光信号 对激光焊接过程中的添粉量进行在线监测；并采集与焊接缺陷密切的等离子体光信号，通 过分析特征元素对等离子体光信号的特性在线实时判断出焊接缺陷是否出现及出现的时 亥IJ，以用于实际生产中激光焊接过程中缺陷的在线监测，为下一步激光焊接过程在线质量 监控做前期基础工作。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明的所述预先添粉原理图；图2是本发明的所述同步送粉原理图；图3是本发明所述装置的结构构造图；图4是本发明所述等离子体光谱信号强度与特征元素量的关联图；图5是本发明焊接后焊缝正、反面的实物图；图6是本发明焊接时对应的锌谱线强度信号图。在图中1-镀锌钢；2-焊接头；4-光敏传感器；5-计算机。
具体实施例方式
本实施例采用如图3所示试验装置，该装置包括工作台，固定在工作台上的镀锌 钢1 ；在所述镀锌钢1焊接部位正上方设有焊接头2，该焊接头2内设有聚焦镜，在该焊接头 2上方设有一与水平方向呈一角度的反射镜，所述镀锌钢1焊接部位侧上方设有多个光敏 传感器4，该光敏传感器4通过光纤与一用于保存并显示采集的等离子体光信号的计算机5 相连。激光束由相应的激光器输出聚焦垂直照射在工件表面，聚焦位置在材料表面。工作台 由相应的数控机床控制。激光焊接镀锌钢为搭接形式的焊接布置形式，板厚为0. 8-1. 6mm, 板间无间隙。如图1和2所示，粉末添加的方式为预先添粉或同步送粉，本实施例采用如图 2所示的同步送粉方式中的侧向送分，且粉末由光束前方送入焊接部位。等离子体光信号 采集采用光敏传感器，传感器位于焊接部位上方与激光束成一角度，从焊接小孔上方采集 等离子体光信号。光敏传感器所对应采集的波长、传感器布置高度和角度、以及传感器的个 数，由实际所需采集的元素光谱波长及所需采集的信号数量、信号强弱等决定。所采集的等 离子体光信号保存并显示在计算机5中。利用光敏传感器4采集镀锌钢1激光添粉焊接过程中的三种特征元素等离子体 光信号，分别为粉末材料中的铜元素等离子体光信号、镀锌钢1中的锌元素等离子体光信 号、镀锌钢1中的铁元素等离子体光信号；采集的特征元素包括镀锌钢1的特征元素和所添 加的粉末材料的特征元素，通过三种特征元素对等离子体光信号的在线监测得出焊接过程 中材料的特征元素的种类和对应特征元素的量m ；最后得出特征元素等离子体光信号与焊 接缺陷之间的关联，其中所述焊接缺陷包括焊缝表面的气孔、凹陷和焊接过程中锌的损耗 量；所述镀锌钢本体材料被电离产生的特征元素等离子体光信号的强度I与所述焊接缺陷 的关联；如图4所示，所添加的粉末材料的特征元素等离子体光信号的强度I与对应特征元 素的量m呈线性关系I = K1*!!!+!^，其中K1、K2为相应的系数，m取值范围为l-20g/min。因为铜粉的添加在镀锌钢1激光焊接过程中，锌与铜可发生反应形成锌与铜的固 溶体，减少了锌蒸气从而减少了焊缝中的气孔。铜粉的送粉速度控制由送粉器粗略控制，实 际添加到焊接过程的粉末量由光敏传感器在线监测。焊接过程中等离子体光信号的采集，同时采集了三种特征元素的等离子体光信 号，分别为粉末材料中的铜元素等离子体光信号、镀锌层锌元素等离子体光信号、母材钢 基体铁元素等离子体光信号。1、采用光敏传感器在线监测铜粉添加量光敏传感器所采集的特征元素等离子 体光信号为铜元素等离子体光信号，相应的铜等离子体光波长为510. 55nm、515. 32nm和 521. 82nm,因此所需要的光敏传感器只采集相应波长的等离子体光信号。2、采用光敏传感器在线监测锌等离子体光信号在焊接过程中如果锌蒸气减少则 对应被电离产生的锌等离子体必然减少，由此可通过锌等离子体光信号强度判断锌的气化 量。相应的锌等离子体光波长为334. 5nm、481. Onm,由此，光敏传感器只采集相应波长的等 离子体光信号。3、采用光敏传感器在线监测铁等离子体光信号在稳定的激光焊接过程中铁等离 子体处于周期波动的动态稳定状态，如果铁等离子体光信号离开稳定波动状态则可判断焊 接过程出现了非稳定状态，非稳定的焊接过程必然导致相应的焊接缺陷，因此在线监测铁 等离子体是否处于稳定波动状态同样可以诊断某种焊接缺陷的产生。铁元素的等离子体光波长为394. 52nm、402. 45nm，，光敏传感器只采集相应波长的等离子体光信号。以上所需要的光敏传感器必须有足够快的信号采集频率，以得到连续的信号变化特征，其采集频率不 小于IOOHz。 以上采集了三种特征元素的等离子体光信号，每种特征元素等离子体光信号的变 化特征与某种特定焊接缺陷产生之间的关系密切程度不同。铜元素等离子体光信号直接对 应锌蒸气的量，锌蒸气的多少对焊接过程产生多种不利影响，使的焊接过程产生多种焊接 缺陷，因此铜等离子体光信号的检查不宜直接对应某种焊接缺陷，其主要作用是检查锌蒸 气是否被减少，锌是否被固化在焊缝中。而对于锌等离子体光信号的检查则可直接对应焊 接缺陷。如图5，6所示，所采集的信号为镀锌钢激光焊接过程中的锌元素波长为334. 5nm 光信号强度变化对应焊缝表面气孔的试验结果图。可看出锌等离子体光信号强度与表面气 孔的产生关系密切，通过锌等离子体光信号可诊断焊缝表面气孔。同时锌等离子体光信号 强度与锌元素量的关联可直接用了判断焊接过程锌层的损耗量。铁元素等离子体光信号的 作用与锌元素等离子体光信号诊断焊接表面气孔效果类似，因为在激光焊接过程中表面气 孔的产生是由于焊接小孔内金属蒸气向外喷出时将焊缝熔池带走形成气孔、凹陷，喷出的 蒸气中同时有锌和铁元素，气孔产生时对应的锌和铁的等离子体光信号有类似的变化，铁 等离子体光信号的变化同样可用来诊断焊缝表面气孔缺陷。由于实际焊接过程中各种信号 难免存在突变现象，采用单一信号诊断焊接过程存在隐藏不准确性，因此在通过等离子体 光信号在线实时诊断焊接缺陷时需同时观测三种等离子体光信号变化特征，综合判断等离 子体光信号与焊接缺陷之间的关联。
权利要求
1.一种基于特征元素等离子体光信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线 诊断方法，其装置包括工作台，固定在工作台上的镀锌钢(1)；在所述镀锌钢(1)焊接部位 正上方设有焊接头O)，该焊接头O)内设有聚焦镜，镀锌钢激光添粉焊接的同步添粉装置 固定在焊接头( 上，所述镀锌钢(1)焊接部位侧上方设有多个光敏传感器G)，该光敏 传感器(4)通过信号线将采集的等离子体光信号直接保存并显示在计算机(5)中；其特征 是，激光束聚焦后对镀锌钢(1)进行激光焊接；同时利用光敏传感器(4)采集镀锌钢(1)激 光添粉焊接过程中的特征元素等离子体光信号，采集的特征元素包括镀锌钢(1)本体材料 的特征元素和所添加的粉末材料的特征元素，通过特征元素对等离子体光信号的在线监测 得出焊接过程中材料的特征元素的种类和对应特征元素的添加量m ；最后得出所述镀锌钢 本体材料被电离产生的特征元素等离子体光信号的强度I与焊接缺陷之间的关联镀锌钢 (1)激光焊接过程，当特征元素等离子体光信号的强度I处于动态稳定时无焊接缺陷产生； 当特征元素等离子体光信号的强度I急剧变化或波动时产生焊接缺陷，所述焊接缺陷包括 气孔、焊缝表面的凹陷；所添加的粉末材料的特征元素等离子体光信号的强度I与单位时 间内所添加对应特征元素的添加量m呈近线性关系I = Kl*m+K2，其中K1、K2为相应的常 数；通过采集激光添粉焊接过程中粉末材料对应元素的等离子体辐射光信号强度I，获得 所添加的粉末量，从而判断焊接过程中焊接缺陷的产生当粉末材料特征元素等离子体光 信号强度增加时，焊接缺陷产生概率减小；当粉末材料特征元素等离子体光信号强度降低 时，焊接缺陷产生概率增大。
2.根据权利要求1所述的在线诊断方法，其特征在于，所述添加的粉末材料为铜粉，焊 接过程中所述光敏传感器同时采集了三种特征元素的等离子体光信号，分别为粉末 材料中的铜元素等离子体光信号、镀锌钢(1)中的锌元素等离子体光信号、镀锌钢(1)中的 铁元素等离子体光信号；采用光敏传感器(4)在线监测铜粉添加量光敏传感器(4)采集的特征元素等离子体 光信号为铜元素等离子体光信号，光敏传感器(4)只采集铜元素特定波长的等离子体光信 号；采用光敏传感器(4)在线监测锌等离子体光信号由锌等离子体光信号强度判断锌的 气化量，相应的锌等离子体光波长分别为334. 5nm、481.0nm，光敏传感器(4)只采集相应波 长的等离子体光信号；采用光敏传感器(4)在线监测铁等离子体光信号由在线监测铁等离子体光信号是 否处于稳定波动状态诊断焊接缺陷的产生，相应的铁等离子体光波长分别为394. 52nm、 402.45nm，光敏传感器(4)只采集相应波长的等离子体光信号；采集的上述铜、锌、铁三种特征元素的等离子体光信号，通过观测三种等离子体光信号 变化特征可在线实时诊断焊接缺陷铜元素等离子体光信号增强对应于锌的蒸气量降低， 锌的蒸气量减少对应于焊接缺陷产生概率的降低，因此铜元素等离子体光信号增强对应于 焊接缺陷产生概率的降低；锌元素等离子体光信号出现剧烈波动，在信号剧烈波动的波峰 与波谷处均有可能产生焊接气孔，且在波峰时产生焊接气孔的概率更大；铁元素等离子体 光信号出现剧烈波动，在信号剧烈波动的波峰与波谷处均有可能产生焊接气孔，且在波峰 时产生焊接气孔的概率更大。
3.根据权利要求1或2所述的在线诊断方法，其特征在于，所述光敏传感器(4)的采集频率不小于IOOHz。
4.根据权利要求1或2所述的在线诊断方法，其特征在于，所述单位时间内所添加对应 特征元素的量m取值范围为l-20g/min。
全文摘要
本发明公开了一种基于特征元素等离子体光信号的镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷的在线诊断方法，其步骤为采用聚焦后激光束对镀锌钢进行焊接；同时在焊接过程中向焊接处添加铜粉；利用光敏传感器采集镀锌钢激光添粉焊接过程中的特征元素等离子体光信号；通过特征元素等离子体光信号变化实现在线监测焊接过程中材料被电离产生等离子体的特征元素种类和对应特征元素的添加量m；最后得出特征元素等离子体光信号与焊接缺陷之间的关联。本发明通过分析特征元素对等离子体光信号的特性在线实时判断出焊接缺陷是否发生及发生的时刻，可用于实际生产中激光焊接过程中缺陷的在线监测，为后续激光焊接过程在线质量控制奠定基础。
文档编号G01N21/71GK102049613SQ20101055390
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者周惦武, 张屹, 张海荣, 李时春, 陈根余 申请人:湖南大学