基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置及方法与流程

本发明涉及焊接质量控制领域，特别涉及装备制造过程中结构件焊接技术领域的一种激光焊搭接接头熔透状态实时监测技术，尤指一种基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置及方法。

背景技术：

随着装备制造领域焊接技术的快速发展，激光焊作为一种高效、高质量的焊接工艺其应用范围越来越广泛。但是，激光焊过程中的熔透控制技术，一直是影响焊接质量的重要问题，同时也是各装备制造企业及科研机构所关注的热点。

激光深熔焊过程中，材料表面在激光的高能加热作用下产生了剧烈的蒸发及汽化，形成强大的金属蒸汽压，从而在液态金属熔池中形成小孔。激光通过孔中直射在孔底，小孔能将入射激光的绝大部分能量全部吸收，使得包围孔腔的金属熔化。小孔伴随着激光束的焊接向前动态移动，熔化的金属回填小孔留下的空间最终形成焊缝。因此，小孔的深度决定了激光深熔焊的熔深（熔透状态）。目前，激光深熔焊过程的熔透状态实时监测的关键在于如何快速、准确的识别小孔的深度。而例如采用视觉传感、声光信号传感等技术原理的监测方法，一般只能间接地的推算小孔深度，且抗干扰能力差，在实际焊接生产过程中应用比较困难。亟待改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明以激光深熔焊过程中所产生的小孔作为监测对象，通过提取能够表现小孔深度的超声导波信号特征值，并以此作为激光焊熔透状态的指标，实现搭接激光焊过程中熔透状态的实时监测。在搭接接头的激光深熔焊过程中，激光斑点处所产生的小孔可以看做焊接过程中板材内部的一个临时的、动态的“缺陷”，而采用超声导波的方式对其进行计算和评估，从而实现深熔焊过程熔透状态的实时监测，则是本发明要达到的目的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置，包括监测仪1、分离式超声导波激励接收模块2、电声耦合状态控制模块3及信号线4，所述分离式超声导波激励接收模块2实现对超声信号的激励及超声导波信号的接收，其结构由电磁激励超声换能器21和电磁接收超声换能器22组成，分别悬挂在电声耦合状态控制模块3的下端两侧；

所述电声耦合状态控制模块3通过对电磁激励超声换能器21与被焊工件6之间的间距测量及控制，确保电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面之间恒定的电声耦合，其结构包括直线电机31、电机座32、连接座33、U型连接支座34、直线导轨35、悬吊支架36及激光测距传感器37，所述直线电机31通过电机座32安装在激光焊机的激光头5上；U型连接支座34与悬吊支架36装配在一起构成刚性支撑结构，通过直线导轨35与激光头5相连接，直线电机31的推杆头部与固定在连接杆34上的连接座33相连接；在直线电机31的带动下，U型连接支座34和悬吊支架36沿激光头5垂直方向上下运动；激光测距传感器37安装在悬吊支架36的一端，测量电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面之间的距离。

本发明的另一目的在于提供一种基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测方法，具体步骤是：在焊接过程中，激光头5位于被焊工件6正面施焊，电磁激励超声换能器21与电磁接收超声换能器22分别悬挂在激光头5的两侧，随着激光头5的施焊同步向前运动；电磁激励超声换能器21中心、激光斑点/小孔61、电磁接收超声换能器22中心三者构成一条与焊缝62长度方向垂直的直线；

焊接开始后，电磁激励超声换能器21在监测仪1的控制下在被焊工件6上表面连续地激发出超声波，且此超声波在板材上下表面不断的反射、折射及波形转换并形成导波；导波在板材内向四周传播，当其通过激光斑点/小孔61位置时，由于激光斑点/小孔61的存在会对导波产生一定的影响，即反射、折射和衰减，电磁接收超声换能器22接收到达的导波信号，并将其转换为电信号，通过信号线4传输至监测仪1；监测仪1提取能够反映激光斑点/小孔61几何尺寸的信号特征，并计算当前时刻的激光斑点/小孔深度，最终实现熔透状态的实时监测；激光斑点/小孔深度计算公式如下：

H=T×（A/A0）×k

式中， T为被焊工件6的上层板63的厚度，H为激光斑点/小孔61的深度，A0为激光斑点/小孔61的深度为零时导波信号中的特征幅值，A为激光斑点/小孔61的深度为H时导波信号中的特征幅值，k为根据测试结果标定的修正系数。

电声耦合状态控制模块3端部悬挂的激光测距传感器37不断测量电磁激励超声换能器21、电磁接收超声换能器22与被焊工件6上表面的高度，并与标准值进行比较，计算高度值的瞬时变化量，并通过直线电机31对变化量进行修正补偿，确保电磁激励超声换能器21、电磁接收超声换能器22所激励出的超声导波信号强度恒定，从而实现激光斑点/小孔61深度的精确计算与监测。

在整个焊接过程中，由于被焊工件6的装夹精度、焊接变形等因素的影响，电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面的距离可能存在波动。这种差异会对所激励出的超声导波信号强度造成影响，从而导致激光斑点/小孔61深度的计算出现误差。为了控制电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面的距离，本发明设计了电声耦合状态控制模块3，来实现换能器高度的实时测量与调整。在熔透监测过程中，电声耦合状态控制模块3端部悬挂的激光测距传感器37不断测量换能器与被焊工件上表面的高度，并与标准值进行比较，计算高度值的瞬时变化量，并通过直线电机31对该变化量进行修正补偿，确保换能器所激励出的超声导波信号强度保持恒定，从而实现激光斑点/小孔61深度的精确计算与监测。

本发明的有益效果在于：针对搭接激光焊的焊接质量要求，本发明以激光深熔焊自身所产生的小孔为对象，通过监测小孔对板材内传播的超声导波信号的影响，实现焊接过程中工件熔透状态的实时计算和监测，确保焊接质量达到焊接接头的设计及工艺要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的激光焊熔透状态实时监测装置结构示意图；

图2为本发明的监测装置的工作示意图；

图3为本发明的基于超声导波测量原理示意图；

图4、图5为本发明的超声导波信号图。

图中：1、监测仪；2、分离式超声导波激励接收模块；3、电声耦合状态控制模块；4、信号线；5、激光头；6、被焊工件；21、电磁激励超声换能器；22、电磁接收超声换能器；31、直线电机；32、电机座；33、连接座；34、U型连接支座；35、直线导轨；36、悬吊支架；37、激光测距传感器；61、激光斑点/小孔；62、焊缝；63、上层板；64、下层板。

图具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测装置，包括监测仪1、分离式超声导波激励接收模块2、电声耦合状态控制模块3及信号线4，所述分离式超声导波激励接收模块2实现对超声信号的激励及超声导波信号的接收，其基本结构由电磁激励超声换能器21和电磁接收超声换能器22组成，分别悬挂在电声耦合状态控制模块3的下端两侧；所述电声耦合状态控制模块3通过对电磁激励超声换能器21与被焊工件6之间的间距测量及控制，确保电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面之间恒定的电声耦合，其基本结构包括直线电机31、电机座32、连接座33、U型连接支座34、直线导轨35、悬吊支架36及激光测距传感器37，所述直线电机31通过电机座32安装在激光焊机的激光头5上；U型连接支座34与悬吊支架36装配在一起构成刚性支撑结构，通过直线导轨35与激光头5相连接，直线电机31的推杆头部与固定在U型连接支座34上的连接座33相连接；在直线电机31的带动下，U型连接支座34和悬吊支架36可以沿激光头5垂直方向上下运动；激光测距传感器37安装在悬吊支架36的一端，用于测量电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面之间的距离。

参见图1及图2所示，本发明的基于超声导波的激光焊熔透状态实时监测方法，具体步骤是：在焊接过程中，激光头5位于被焊工件6正面施焊，电磁激励超声换能器21与电磁接收超声换能器22分别悬挂在激光头5的两侧，随着激光头5的施焊同步向前运动；电磁激励超声换能器21中心、激光斑点/小孔61、电磁接收超声换能器22中心三者构成一条与焊缝62长度方向垂直的直线。图2中空心箭头表示的是焊接前进方向，虚线箭头表示的是超声导波的激励、传播与接收路径。

焊接开始后，电磁激励超声换能器21在监测仪1的控制下在被焊工件6上表面连续地激发出超声波，且此超声波在板材上下表面不断的反射、折射及波形转换并形成导波；导波在板材内向四周传播，当其通过激光斑点/小孔61位置时，由于激光斑点/小孔61的存在会对导波产生一定的影响（反射、折射和衰减），电磁接收超声换能器22接收到达的导波信号，并将其转换为电信号，通过信号线4传输至监测仪1；监测仪1通过内置的算法，提取能够反映激光斑点/小孔61几何尺寸的信号特征，并计算当前时刻的激光斑点/小孔深度，最终实现熔透状态的实时监测。

如图3和图4所示，在监测过程中，电磁激励超声换能器21连续在被焊工件6的上层板63内部激励出超声导波，该导波在上层板63内部向四周传播，经过激光斑点/小孔61位置后达到电磁接收超声换能器22下方并被接收。当激光斑点/小孔61深度为零时，导波信号中特征幅值为A0；当激光斑点/小孔61深度为H时，导波信号中特征幅值为A。则激光斑点/小孔深度计算公式如下：

H=T×（A/A0）×k

式中， T为被焊工件6的上层板63的厚度，H为激光斑点/小孔61的深度，A0为激光斑点/小孔61的深度为零时导波信号中的特征幅值，A为激光斑点/小孔61的深度为H时导波信号中的特征幅值，k为根据测试结果标定的修正系数。

电声耦合状态控制模块3端部悬挂的激光测距传感器37不断测量电磁激励超声换能器21、电磁接收超声换能器22与被焊工件6上表面的高度，并与标准值进行比较，计算高度值的瞬时变化量，并通过直线电机31对变化量进行修正补偿，确保电磁激励超声换能器21、电磁接收超声换能器22所激励出的超声导波信号强度恒定，从而实现激光斑点/小孔61深度的精确计算与监测。

在整个焊接过程中，由于被焊工件6的装夹精度、焊接变形等因素的影响，电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面的距离可能存在波动。这种差异会对所激励出的超声导波信号强度造成影响，从而导致激光斑点/小孔61深度的计算出现误差。为了控制电磁激励超声换能器21与被焊工件6上表面的距离，本发明设计了一套电声耦合状态控制模块3，来实现换能器高度的实时测量与调整。在熔透监测过程中，电声耦合状态控制模块3端部悬挂的激光测距传感器37不断测量换能器与被焊工件6上表面的高度，并与标准值进行比较，计算高度值的瞬时变化量，并通过直线电机31对该变化量进行修正补偿，确保换能器所激励出的超声导波信号强度保持恒定，从而实现激光斑点/小孔深度的精确计算与监测。

实施例：

下面以SUS301L不锈钢车体侧墙的激光搭接焊熔透监测为例进行说明：

（1）、接头型式为非熔透型搭接接头，上层板63的厚度为0.6mm，下层板64的厚度为1.5mm。激光功率1.5kW，斑点直径Φ0.6mm，焊接速度20mm/s，离焦量0。

（2）、磁激励超声换能器21、电磁接收超声换能器22与被焊工件6的初始高度为5mm，电磁激励形式为方波脉冲，峰值电压1200V，瞬时功率1kW，重复频率200Hz，接收增益20dB，采样率100MHz。

（3）、开始监测后，电磁激励超声换能器21在监测仪1的控制下在被焊工件6上表面连续地激发出超声波，且此超声波在板材上下表面不断的反射、折射及波形转换并形成导波。导波在板材内向四周传播，当其通过激光斑点/小孔61位置时，由于激光斑点/小孔61的存在，会对导波产生一定的影响（反射、折射和衰减）；电磁接收超声换能器22接收到达的导波信号，并将其转换为电信号传输至监测仪1。监测仪1通过内置的算法，提取能够反映激光斑点/小孔几何尺寸的信号特征，并计算当前时刻的激光斑点/小孔深度，最终实现熔透状态的实时监测。

（4）、开始监测后，电声耦合状态控制模块3端部悬挂的激光测距传感器37不断测量换能器与被焊工件6上表面的高度，并与标准值（5mm）进行比较，计算高度值的瞬时变化量，并通过直线电机31对该变化量进行修正补偿，确保换能器所激励出的超声导波信号强度保持恒定，从而实现激光斑点/小孔深度的精确计算与监测。激光测距传感器37的测量频率为1kHz，修正补偿响应时间≤1ms。

在本实例所述的正常工艺条件下，以被焊工件6上层板63的熔透状态作为焊接质量的评判依据，上层板63未熔透的监测准确率可以达到99.9%。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。