一种焊接熔池形态检测装置和焊接装置及方法

本发明涉及焊接，具体为一种焊接熔池形态检测装置和焊接装置及方法。

背景技术：

1、焊接熔池形态作为一种与焊接过程和焊接质量密切相关的的因素，熔池的形态不仅决定了焊缝的形状，而且焊缝的结晶过程也有密切的关系，对焊缝的组织力学性能和焊接质量重要影响，如熔池内部轮廓中最重要的熔深直接影响到接头的承载能力，熔池的深宽比直接影响接头的焊接质量，熔池内未排除气泡造成的气隙降低接头强度。

2、可靠检测并提取焊接熔池形态信息对深入理解焊接热源熔池耦合作用和焊缝熔透状态等焊接基础理论问题具有十分重要的意义，但是在实际焊接过程中熔池表面振荡幅度非常微弱且熔池内部形态并不能够直接观察得到，想要准确获取熔池表面和内部形态特征信息十分困难。且传统熔池形貌测量法(弧压法、弧光法和结构光法)无法表征熔池内部形态信息。

3、综上所述，在焊接过程中，如何解决高温液态熔池表面和内部形态检测的问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是：提供一种焊接熔池形态检测方法，能够实现焊接高温液态熔池表面和内部形态信息在线检测，从而利于调整焊接工艺参数，提升焊接质量。

2、本发明的目的之二是：提供一种焊接熔池形态检测装置。

3、本发明的目的之三是：提供一种焊接装置，能够实现在线检测熔池形态，提升焊接质量。

4、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、一种焊接熔池形态检测方法，包括以下步骤，

6、将母材置于隔热楔块上，利用脉冲激光器照射在隔热楔块下表面特定区域形成一列光斑，每个光斑位置产生超声信号并透过隔热楔块传递到母材熔池中产生反射信号；

7、数据采集卡同步采集每个超声信号在隔热楔块下表面特定区域的反射信号；

8、获取反射信号在传播路径中相关介质内超声速度和反射信号峰值到达时间，计算得到熔池内相关特征点相对于母材下表面的位置，进而获得熔池内部轮廓截面曲线、熔池上表面截面曲线、匙孔轮廓截面曲线、气泡下表面截面曲线、气泡上表面截面曲线；

9、沿焊接方向扫描下一列，重复上述检测步骤，直至覆盖整个熔池，依次得到多个相关截面曲线并平滑处理，得到熔池内部轮廓三维形貌、熔池上表面三维形貌、匙孔轮廓三维形貌、气泡下表面曲面、气泡上表面曲面；平滑连接气泡下表面曲面和气泡上表面曲面，得到气泡三维形貌，完成焊接熔池形态的检测。

10、进一步，超声信号在隔热楔块下表面特定区域的反射信号的采集方式为，激光干涉仪产生检测激光照射于熔池下方的隔热楔块下表面特定区域进行反射信号的检测，并将检测结果发送到数据采集卡。

11、进一步，检测激光垂直照射在隔热楔块下表面特定区域。

12、进一步，隔热楔块下表面特定区域位于熔池正下方且包含整个熔池区域。

13、进一步，焊接熔池形态的检测实现方式为，获取熔池中超声速度、母材中超声速度、气泡中超声速度、母材下表面和熔池内相关特征点反射信号峰值到达时间，建立由以下多个方程组成的方程组，求解获得熔池内相关特征点相对于母材下表面的位置，其中，

14、当传播路径无气泡和匙孔时：

15、母材下表面与熔池轮廓点之间距离＝母材中超声速度x(熔池轮廓点反射信号峰值到达时间-母材下表面反射信号峰值到达时间)/2；

16、熔池上表面点与熔池轮廓点之间距离＝熔池中超声速度x(熔池上表面点反射信号峰值到达时间-熔池轮廓点反射信号峰值到达时间)/2；

17、母材下表面与熔池上表面点之间距离＝母材下表面与熔池轮廓点之间距离+熔池上表面点与熔池轮廓点之间距离；

18、当传播路径有匙孔时：

19、母材下表面与熔池轮廓点之间距离＝母材中超声速度x(熔池轮廓点反射信号峰值到达时间-母材下表面反射信号峰值到达时间)/2；

20、匙孔轮廓点与熔池轮廓点之间距离＝熔池中超声速度x(匙孔轮廓点反射信号峰值到达时间-熔池轮廓点反射信号峰值到达时间)/2；

21、母材下表面与匙孔轮廓点之间距离＝母材下表面与熔池轮廓点之间距离+熔池轮廓点与匙孔轮廓点之间距离；

22、当传播路径有气泡时：

23、母材下表面与熔池轮廓点之间距离＝母材中超声速度x(熔池轮廓点反射信号峰值到达时间-母材下表面反射信号峰值到达时间)/2；

24、熔池轮廓点与气泡下表面点之间距离＝熔池中超声速度x(气泡下表面点反射信号峰值到达时间-熔池轮廓点反射信号峰值到达时间)/2；

25、气泡上表面点与气泡下表面点之间距离＝气泡中超声速度x(气泡上表面点反射信号峰值到达时间-气泡下表面点反射信号峰值到达时间)/2；

26、熔池上表面点与气泡上表面点之间距离＝熔池中超声速度x(熔池上表面点反射信号峰值到达时间-气泡上表面点反射信号峰值到达时间)/2；

27、母材下表面与气泡下表面点之间距离＝母材下表面与熔池轮廓点之间距离+熔池轮廓点与气泡下表面点之间距离；

28、母材下表面与气泡上表面点之间距离＝母材下表面与气泡下表面点之间距离+气泡上表面点与气泡下表面点之间距离；

29、母材下表面与熔池上表面点之间距离＝母材下表面与气泡上表面点之间距离+气泡上表面点与熔池上表面点之间距离。

30、进一步，相关介质内超声速度的获取方式为，结合红外测温系统的实际测量结果和专家系统中母材和熔池的温度仿真系统建立的焊接参数库，依据其中材料温度阶梯，建立熔池及母材和气泡中的阶梯化声速根据传播路径，通过公式计算出传播路径的对应介质内的平均声速，即为该传播路径的相关介质内超声速度。

31、进一步，扫描光斑时，所有光斑列均匀分布，所有行数均匀分布，列距离和行距离均大于激光光斑直径，调整列距离、行距离和光斑大小，进而调整检测熔池形态的横向分辨率。

32、一种焊接熔池形态检测装置，包括用于放置母材的隔热楔块、脉冲激光器、数据采集卡和控制单元；

33、脉冲激光器用于照射在隔热楔块下表面特定区域依次形成多列光斑，光斑位置产生超声信号并透过隔热楔块传递到母材熔池中形成反射信号；

34、数据采集卡用于同步采集每个超声信号在隔热楔块下表面特定区域的反射信号并发送到控制单元；

35、控制单元用于获取反射信号在传播路径中相关介质内超声速度和反射信号峰值到达时间，计算得到熔池内部轮廓三维形貌、熔池上表面三维形貌、匙孔轮廓三维形貌和气泡三维形貌。

36、进一步，还包括第一光路系统、第二光路系统、激光干涉仪、耐高温超声耦合剂和红外测温系统，隔热楔块上表面通过耐高温超声耦合剂与母材紧密相连，脉冲激光器用于通过第一光路系统将激励激光整形照射在隔热楔块下表面特定区域产生超声信号，超声信号透过隔热楔块通过耐高温超声耦合剂传递到母材熔池中形成反射信号，激光干涉仪用于产生检测激光并通过第二光路系统检测隔热楔块下表面对应位置的反射信号，红外测温系统用于测量熔池表面温度并发送到控制单元以建立熔池及母材和气泡中的阶梯化声速。

37、一种焊接装置，包括一种焊接熔池形态检测装置。

38、总的说来，本发明具有如下优点：

39、本发明提出的熔池内部轮廓检测技术可以在焊接的同时实现高温液态熔池内部轮廓、熔池上表面、匙孔轮廓和气泡的三维形貌的在线测量；提出的温度阶梯补偿超声速度法可以提高熔池形态的检测准确度；通过减小扫描激光光斑大小和光斑距离可以提高熔池内部轮廓的横向分辨率；通过检测结果调整焊接工艺参数可以提高焊接质量，提升焊接质量。