一种基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法与流程

本发明涉及激光焊接质量在线诊断领域，尤其涉及一种基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法。

背景技术：

激光焊接以高能量密度的激光作为热源，使金属熔化形成焊接接头，是一种高效精密焊接方法。近年来，随着航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗等行业的迅速发展，产品零件的形状越来越复杂，对焊接构件的表面形状和变形的要求也越来越高，传统的焊接方法难以满足其需要，为此激光焊得到了广泛的重视。为了提高激光焊接的效率，减少焊接接头的缺陷，焊接缺陷在线诊断方法不可或缺，传统的离线检测方法费时费力还需要专业的设备与相关的操作人员。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法，以便快速准确的判断出激光焊接过程中是否存在焊接缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法，其中在线诊断装置包括光纤探头，所述光纤探头经光纤与光纤光谱仪相连接，所述光纤光谱仪还与计算机相连接，所述光纤探头经由机械万向杆固定在激光头上，所述方法包括以下步骤：

步骤1、调整所述光纤探头的位置；

步骤2、当激光焊接过程开始时，通过光纤探头采集激光焊接过程中产生的光致等离子体中的光信号，并将光纤光谱仪中形成的光谱信息传输至计算机中；

步骤3、从计算机的显示界面上实时观察上述光谱信息的频域分布图中各谱线的相对强度随时间的波动情况，以确定作为分析对象的特征谱线；

步骤4、在采集过程的任意时刻，利用所选特征谱线的相对强度计算光致等离子体的电子温度，以获得电子温度随时间的变化曲线；

步骤5、根据待焊件的材料以及尺寸，使用不同的焊接参数进行焊接，选择使电子温度时域变化的标准差最小的参数作为最优焊接参数；

步骤6、在最优焊接参数下对n个待焊件进行焊接，通过计算机记录各待焊件在激光焊接过程中产生光致等离子体的电子温度时域图；

步骤7、根据步骤6中的各电子温度时域图，获得spc控制图；

步骤8、根据实际情况调整焊接参数，对待焊件进行激光焊接；

步骤9、当激光焊接过程开始时，通过光纤探头采集激光焊接过程中产生的光致等离子体中的光信号，通过光纤光谱仪将形成的光谱信息传至计算机，选取步骤3中的特征谱线作为特征谱线，通过所选特征谱线计算光致等离子体的电子温度，得到电子温度时域图，将其称作测试时域图；

步骤10、在激光焊接的过程中，通过计算机将测试时域图实时绘入spc控制图中，判断测试时域图中的各个点是否超出spc控制图的上下界限；

步骤11、如果否，则不存在焊接缺陷；

步骤12、如果是，判断是否存在连续a个点中有连续a个点超出了spc控制图的上下界限，其中a和a的取值取决于缺陷判断的灵敏度；

步骤13、如果否，则不存在焊接缺陷；

步骤14、如果是，则存在焊接缺陷。

优选的是，所述光纤探头配以col-uv/vis准直透镜。

优选的是，所述光纤光谱仪的分辨率不低于0.1nm。

优选的是，在所述步骤1中，将所述光纤探头设置在距激光束在待焊件上的入射点15～20cm，并且高出待焊件上表面7.5～10cm的位置，同时保证所述光纤探头采集激光焊接过程中产生的光致等离子体。

优选的是，在所述步骤4中，采用玻尔兹曼图法或者二谱线法计算光致等离子体的电子温度。

优选的是，在所述步骤7中，获得spc控制图包括以下步骤：

步骤71、将所述步骤6中的n个电子温度时域图的数据分为若干子组，同一时刻不同焊道的数据为一子组；

步骤72、对各子组内的电子温度数据求取算术平均值，将该算术平均值作为每个子组的值；

步骤73、对各个子组的值求取算术平均值，该算术平均值即为spc控制图中的中心线；

步骤74、对每个子组内的电子温度数据求取标准差，称之为子组标准差；

步骤75、对所有的子组标准差求取算术平均值，得到整体标准差；

步骤76、通过在中心线的值上加或者减相应倍数的整体标准差以获得spc控制图中的控制上限或控制下限的值，其中所述倍数根据子组内样本个数查spc控制图系数表可得。

本发明的该方案的有益效果在于上述基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法建立了特定的量化标准来判断焊接过程中缺陷的存在与否，该在线诊断方法可以十分准确地获得光致等离子体的光谱信息，并快速准确的判断激光焊接过程中是否存在缺陷，以便应用于工业大批量生产中缺陷的在线诊断，并为实现缺陷种类的判断和分类打下了基础。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的在线诊断装置的原理示意图以及激光焊接系统的简图。

图2示出了本发明所涉及的在线诊断方法的步骤流程图。

图3(a)至图3(d)分别示出了本发明第一实施例中的焊接接头示意图、光致等离子体相对强度与时间、波长相对应的空域图、光致等离子体电子温度随时间变化的时域图、对焊接质量进行判定的spc控制图。

图4(a)至图4(d)分别示出了理想焊缝、错边、焊穿、对接间隙变动状态下的测试时域图在spc控制图中的分布情况。

图5示出了本发明第二实施例中焊接接头的示意图。

图6(a)和图6(b)分别示出了本发明第二实施例中的焊穿、焊道分离状态下的测试时域图在spc控制图中的分布情况。

附图标记：1-光纤光谱仪，2-计算机，3-光纤探头，4-机械万向杆，5-工作台，6-待焊件，7-激光束，8-ar保护气，9-焊缝，10-光致等离子体，11-光纤，12-激光头，a-错边区域，b-待焊件中心减薄导致的焊穿区域，c-对接间隙变动导致未焊合区域，d-垫片，e-镀锌钢板，f-焊接速度减慢导致的焊穿区域，g-焊道分离区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所涉及的在线诊断装置包括光纤探头3，所述光纤探头3经光纤11与光纤光谱仪1相连接，所述光纤光谱仪1还与计算机2相连接；其中所述光纤探头3经由机械万向杆4固定在激光头12上，所述光纤探头3的角度和高度可以根据需求调整以便对准激光焊接过程中产生的光致等离子体采集信息。

激光焊接系统属于现有技术，在此只给出简图进行简要说明，如图1所示，激光焊接系统包括工作台5，待焊件6放置于所述工作台5上，待焊件6两侧通过夹具(图中未示出)夹紧在工作台5上，激光束7垂直照射在待焊件6表面，熔化母材金属形成接头，实现激光焊接过程，在焊接的过程中将ar保护气8以一定的流量进行输送，以防止焊缝9及其邻近区域在激光焊接时被氧化。

在本实施例中，所述激光束7由德国ipgphotonics公司生产的yls-6000型光纤激光器产生，所述激光器的最大输出功率为6000w，波长为1060～1070nm，光束质量bpp≥4.0，焊接过程运动执行系统采用kuka公司生产的krc-60ha型六轴联动机械手，焊接时保护气体为侧向送气。所述光纤光谱仪1采用avaspec-uls2048-8-usb2多通道型光纤光谱仪，该光纤光谱仪的分辨率为0.052±0.001nm，可测波长范围200～1100nm。所述光纤探头3配以col-uv/vis准直透镜。

本发明所涉及的基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法的步骤流程如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1、调整所述光纤探头3的位置。将所述光纤探头3设置在距所述激光束7在待焊件6上的入射点15～20cm，并且高出待焊件6上表面7.5～10cm的位置，同时保证所述光纤探头3的位置能够采集激光焊接过程中产生的光致等离子体10；如图2中步骤s101所示。

步骤2、当激光焊接过程开始时，通过光纤探头3采集激光焊接过程中产生的光致等离子体10中的光信号，并将光纤光谱仪1中形成的光谱信息传输至计算机2中，如图2中步骤s102所示。在具体的采集过程中，根据待焊件6的材料以及该材料的焊接速度确定在线诊断装置的采样频率。

步骤3、从计算机2的显示界面上实时观察上述光谱信息的频域分布图中各谱线的相对强度随时间的波动情况，以确定作为分析对象的特征谱线，如图2中步骤s103所示。其中所述特征谱线的选择有如下要求：有足够的分辨率，信噪比高，特征明显等。

步骤4、在采集过程的任意时刻，利用所选特征谱线的相对强度计算光致等离子体10的电子温度，以获得电子温度随时间的变化曲线，如图2中步骤s104所示。

为了计算光致等离子体10的电子温度，可以采用玻尔兹曼图法或者二谱线法。其中玻尔兹曼图法是通过多条选定波长的特征谱线来计算电子温度的方法，如公式所示，其中imn为特征谱线的相对强度(假设特征谱线由m能级向n能级的跃迁产生)、amn为跃迁概率、gmn为统计权重、λmn为特征谱线的波长、z为配分函数、h为普朗克常量、n为粒子的总数密度、c为光速、k为boltzmann常数、em为能级m的能量(以基态能级能量为零作基准)。可见以能级em作为横坐标，以作为纵坐标，若将各选定的特征谱线的各个参数代入上述横坐标以及纵坐标，则会得到相应组数的横纵坐标(即一条特征谱线对应一组横纵坐标)，用最小二乘法把这些点拟合为一条直线，其拟合出的直线斜率为这样由斜率便可以计算出电子温度t。

二谱线法是一种精度稍低但计算简单的电子温度求解方法，如公式所示，其中i为特征谱线的相对强度(其中1代表选定的第一条特征谱线，2代表选定的第二条特征谱线)、a为跃迁概率、gm为统计权重、λ为特征谱线的波长、k为boltzmann常数、em为能级m的能量(以基态能级能量为零作基准)，可见通过二谱线法仅需同种粒子任何两条特征谱线的比值、能极差和其部分参数即可求得电子温度t。

步骤5、根据待焊件6的材料以及尺寸，使用不同的焊接参数进行焊接，选择使电子温度时域变化的标准差最小的参数为最优焊接参数，如图2中步骤s105所示。在最优焊接参数下进行的激光焊接能够形成良好的焊缝9，以此最优焊接参数下的激光焊接处于稳定受控状态。

步骤6、在最优焊接参数下对n个待焊件6进行焊接，通过计算机2记录各待焊件6在激光焊接过程中产生光致等离子体10的电子温度时域图，如图2中步骤s106所示。

步骤7、根据步骤6中的各电子温度时域图，获得spc控制图，如图2中步骤s107所示。

具体的获得spc(statisticalprocesscontrol，统计过程控制)控制图的过程如下：假设在最优焊接参数下对五个待焊件6进行焊接，将采集的五次焊接的电子温度时域图的数据分为若干子组，同一时刻不同焊道的数据列为一子组，从而使得不同时刻各焊道的数据分成不同的子组，从而将五次焊接得到的电子温度时域图的数据分为若干子组。例如第一次焊接采得的第一个点至第五次焊接采得的第一个点归为一子组，以此类推，在五次焊接的情况下，每个子组有五个点。

之后先对各子组内的电子温度数据求取算术平均值，将算术平均值作为每个子组的值，再对各个子组的值求取算术平均值，该算术平均值即为spc控制图中的中心线；对每个子组内的数据求取标准差，称之为子组标准差，然后对所有的子组标准差求取算术平均值，可得到整体标准差。spc控制图中的控制上限或控制下限的值通过在中心线的值上加或减一定倍数的整体标准差可得，所述倍数与子组的大小有关(子组的大小即子组内焊道的数量，在本实施例中，子组的大小为五)，根据子组内样本个数(也就是焊道的个数)查spc控制图系数表可得倍数，当子组的大小调整时，这个倍数必须随之调整，由此可得到spc控制图的三条线。

步骤8、根据实际情况调整焊接参数，对待焊件6进行激光焊接，如图2中步骤s108所示。

步骤9、当激光焊接过程开始时，通过光纤探头3采集激光焊接过程中产生的光致等离子体10中的光信号，通过光纤光谱仪1将形成的光谱信息传至计算机2，选取步骤3中的特征谱线作为特征谱线，通过所选特征谱线计算光致等离子体10的电子温度，得到电子温度时域图，将其称作测试时域图，如图2中步骤s109所示。其中所述在线诊断装置的采样频率与步骤2中的采样频率一致。

步骤10、在激光焊接的过程中，通过计算机2将测试时域图实时绘入spc控制图中；判断测试时域图中的各个点是否超出spc控制图的上下界限，如图2中步骤s110所示。

步骤11、如果否，则不存在焊接缺陷，如图2中步骤s111所示。

步骤12、如果是，判断是否存在连续a个点中有连续a个点超出了spc控制图的上下界限，如图2中步骤s112所示。其中，a和a的取值与缺陷判断的灵敏度有关。

步骤13、如果否，则不存在焊接缺陷，如图2中步骤s113所示。

步骤14、如果是，则存在焊接缺陷，如图2中步骤s114所示。其中缺陷的位置与越过界限的点对应的焊缝位置相同。

实施例1

在本实施例中，所述待焊件6采用304不锈钢，待焊件6的尺寸大小为100×50×3mm，焊接接头的形式及激光焊接形成的焊缝示意图如图3(a)所示，在焊接过程中用ar保护气8进行保护。

调整光纤探头3的位置，在激光焊接过程中，使所述光纤探头3采集波长处于200～1100nm的光致等离子体中的光信号，并将光纤光谱仪1中形成的光谱信息传输至计算机2中，通过对上述光谱信息进行比较，确定采用318～420nm谱段进行分析，从而在所选谱段中采集反映波长、时间与强度关系的空域图，如图3(b)所示。对采集得到的空域图，基于分辨率高、轮廓要好、灵敏度高、相对强度适中、谱线较近等原则，选出特征谱线fei375.8nm、fei384.0nm、fei385.9nm、fei387.2nm、fei387.8nm、fei388.6nm，获得焊接过程中光谱的相对强度随时间变化的时域图。根据选择的特征谱线，在光谱采集的任意时刻，通过玻尔兹曼图法计算得到电子温度，从而建立起电子温度随时间的变化曲线，如图3(c)所示。

固定焊接速度v＝2m/min不变，采用不同的焊接参数进行焊接，通过上述方法得到不同焊接参数下电子温度随时间变化的时域图，计算电子温度随时间变化的标准差。此时，选出焊缝表面成形良好且电子温度时域变化的标准差处于最小值时的焊接参数，视为稳定受控状态下的最优焊接参数，此时激光功率p＝2600w，离焦量为+0mm，ar保护气流量为20l/min。在最优焊接参数下对五个待焊件6进行焊接，确保焊接过程中没有受到意外扰动，且焊缝成形良好，通过计算机2记录各待焊件6在激光焊接过程中产生光致等离子体10的电子温度时域图，并根据各电子温度时域图，获得spc控制图，如图3(d)所示。

得到spc控制图之后，通过改变焊接参数或改变待焊件6的装夹状态而刻意制造焊接缺陷，以此测试spc控制图对焊接缺陷的判别能力。

如图4(a)所示，第一条焊缝是在上述最优焊接参数下焊得的，可见其表面成形良好，在spc控制图中可见焊接过程中的电子温度始终没有连续的点超过spc控制图的上下界限，可见没有出现焊接缺陷，因此spc控制图与实际焊接成型实物判断一致。

改变待焊件6的装夹状态，使得待焊件6右端错边形成错边区域a，然后进行激光焊接，以模拟实际生产中装夹不合适而出现错边的情况，得到的焊缝及其对应的spc控制图如图4(b)所示，由图可见，右端错边区域a的焊缝对应的电子温度变化明显，超出spc控制图的上下界限。

将待焊件6中心打薄，不改变焊接参数进行激光焊接，以模拟实际生产过程中工件厚度不均匀的情况，如图4(c)所示，从焊缝图像上可见，中心区域由于打薄出现了明显的焊穿现象，即形成了待焊件中心减薄导致的焊穿区域b，而在spc控制图中对应位置的电子温度显著超出了控制下限，表明此处发生了焊接缺陷，这与实际焊接状况相对应。

再次改变待焊件6的装夹状态，使得对接的待焊件6对接间隙发生变化，以模拟实际生产中装夹不合适造成对接间隙的变动，然后进行激光焊接，如图4(d)所示，从焊缝图像上可见，当对接间隙过大时导致未焊合的缺陷，即形成了对接间隙变动导致未焊合区域c，而spc控制图的对应位置有连续多个点的电子温度低于控制下限，意味着发生了焊接缺陷，这与实际焊缝成形一致。

实施例2

在本实施例中，所述待焊件6采用dx51d+z镀锌钢板e，焊接接头的形式采用预留间隙的搭接接头，也就是在焊接接头的两端分别垫有垫片d，垫片d的大小根据实际需求而定，其焊接接头及激光焊接形成的焊缝示意图如图5所示，焊接过程中采用ar保护气进行保护。

固定焊接速度v＝2.5m/min不变，采用不同的焊接参数进行焊接，以确定最优焊接参数，此时激光功率p＝3900w，间隙值为0.2mm，离焦量为+15mm，ar保护气流量为20l/min。在最优焊接参数下对五个待焊件6进行焊接，确保焊接过程中没有受到意外扰动，且焊缝成形良好，通过计算机2记录各待焊件6在激光焊接过程中产生光致等离子体10的电子温度时域图，并根据各电子温度时域图，获得spc控制图。

得到spc控制图之后，通过改变焊接参数或者改变装夹的状态而刻意制造焊接缺陷，测试spc控制图对焊接缺陷的判别能力。

改变焊接参数使得焊缝中心区域的焊接速度降低，如图6(a)所示，从焊缝图像上可见，中心区域由于降速出现了局部烧穿的现象，即形成了焊接速度减慢导致的焊穿区域f，在spc控制图的相应区域的电子温度显著低于控制下限，表明此处发生了焊接缺陷，这与实际焊接情况吻合。

将预留间隙搭接接头的间隙值调大然后进行激光焊接，如图6(b)所示，从焊缝图像上可见，由于间隙值调大，焊缝发生了明显的焊道分离，即形成了焊道分离区域g，而在spc控制图的多处焊道分离对应位置的电子温度显著低于控制下限，这意味着发生了焊接缺陷，可见spc控制图的判别效果良好。

通过以上实施例可以得出以下结论：当测试时域图始终处于spc控制图的上下界限之间时，无焊接缺陷产生；当测试时域图波动较大，但始终没有足够连续的点超出spc控制图的控制上限或控制下限时，此时仍然没有焊接缺陷产生；当测试时域图有足够数量连续的点超出了spc控制图的控制上限或控制下限时，意味着此处出现了某种形式的焊接缺陷。

本发明所涉及的基于光谱信息的激光焊接缺陷的在线诊断方法建立了特定的量化标准来判断焊接过程中缺陷的存在与否，该在线诊断方法可以十分准确地获得光致等离子体的光谱信息，并快速准确的判断激光焊接过程中是否存在缺陷，以便应用于工业大批量生产中缺陷的在线诊断，并为实现缺陷种类的判断和分类打下了基础。