專利名稱：一種激光焊接過程穩(wěn)定性實時監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光焊接過程監(jiān)測技術領域，特別是涉及對激光焊接過程 穩(wěn)定性實時監(jiān)測的方法。
背景技術：
激光焊接過程中質(zhì)量穩(wěn)定性的監(jiān)測和控制一直是激光焊接的一項重要 研究內(nèi)容，而控制焊接質(zhì)量穩(wěn)定性的最有效的方法，是深入研究激光焊接 過程中不穩(wěn)定性產(chǎn)生的本質(zhì)原因，并在此基礎上選擇能夠維持焊接穩(wěn)定性 的工藝參數(shù)，同時通過實時識別監(jiān)測造成不穩(wěn)定過程的特征量，在過程中 適當調(diào)整部分參數(shù)來控制結構焊接時的全程穩(wěn)定性。激光焊接中的不穩(wěn)定 性大大危害到焊接結構的力學性能，成為航空結構裂紋斷裂等嚴重現(xiàn)象產(chǎn) 生的潛在危險源。因而激光焊接過程的穩(wěn)定性控制具有非常重要的意義。
在深入研究激光焊接過程質(zhì)量穩(wěn)定性本質(zhì)特征的基礎上，我們要關注 的問題是如何識別和監(jiān)測這種穩(wěn)定性。目前從激光焊接過程特征來研究過 程不穩(wěn)定性，主要集中在對金屬蒸氣/等離子體行為的研究，利用聲光信號 監(jiān)測來分析金屬蒸氣/等離子體聲光信號的變化，進而通過特征信號進行不
穩(wěn)定性的監(jiān)測。如N. F. F. Willmott等人發(fā)現(xiàn)了較低功率密度條件下的焊縫 熔深波動現(xiàn)象，他利用斜板進行試驗，發(fā)現(xiàn)隨焦點位置的變化，檢測到的 聲發(fā)射信號有所變化，并在此時出現(xiàn)熔深波動，他認為這種不穩(wěn)定與金屬 蒸氣/等離子體相關。1994年，Bernecl Seidel在實驗報告中報導了高功率 密度條件下，進行連續(xù)激光焊接時，產(chǎn)生的焊縫熔深波動的現(xiàn)象，并認為 功率密度和保護氣體對金屬蒸氣/等離子體及悍接過程穩(wěn)定性有很大影響， 并通過對金屬蒸氣/等離子體的控制獲得了熔深穩(wěn)定的焊縫。張旭東等人在 有關C02激光焊穩(wěn)定性機理的研究中，發(fā)現(xiàn)模式不穩(wěn)定焊接過程可以在檢 測出的金屬蒸氣/等離子體電荷信號、光信號、聲信號中獲得反映。
單純利用金屬蒸氣/等離子體信號的變化來識別和監(jiān)測穩(wěn)定性，必須借 助于神經(jīng)元網(wǎng)絡等運算法則，該方法與焊接過程中的小孔熔池等沒有直接 的關系，更多是借助于金屬蒸氣/等離子體特征，而在實際焊接中，金屬蒸 氣受保護氣體種類、流量，以及材料成份的影響非常大，且不能直接表征 激光焊接的本質(zhì)特征，如激光焊接熔池和熱循環(huán)這些與焊接質(zhì)量穩(wěn)定性密 切相關的特征，因而這為監(jiān)測結果帶來很大不確定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光焊接過程穩(wěn)定性實時監(jiān)測方法，提高監(jiān) 測的準確性。
一種激光焊接過程穩(wěn)定性實時監(jiān)測方法，按照以下步驟進行
(1) 在激光焊接初始穩(wěn)定階段內(nèi)，采集熔池的紅外光信號，對其分析 獲得熔池的熱輻射當量；
(2) 計算步驟(1)獲得的熔池熱輻射當量的平均值Em;
(3) 計算輻射當量偏差AE二E-p， p為輻射當量偏差系數(shù)；
(4) 確定熔池穩(wěn)定范圍W: Em-AE《W《Em+AE;
(5) 在激光后續(xù)焊接過程中周期采集熔池的紅外光信號，計算熔池在 單個周期內(nèi)熱輻射當量的平均值Fm，將其與熔池穩(wěn)定范圍W比較，若平均 值Fm在熔池穩(wěn)定范圍W內(nèi)，則熔池穩(wěn)定，否則，熔池不穩(wěn)定；
所述輻射當量偏差系數(shù)p=AE,—/ Em,，當量偏差參考值 A Er=Max(Emaxr-Emr， Em「EmirO ，熔池穩(wěn)定時熔池面積最大對應的輻射當量 EmaXr、熔池穩(wěn)定時熔池面積最小對應的輻射當量Eminr和熔池穩(wěn)定時熱輻射 當量的統(tǒng)計平均值Eri^均依照二維溫度場圖片，按照下式計算
五=pl^(r)A義A ，其中，1. l卿〈波長入。〈3iim， M", (T)是依據(jù)普 朗克定律當溫度為T、波長為入。時對應的單色輻射強度，s為熔池的面積， A入為單色波的帶寬；
所述二維溫度場圖片按照下述方法獲取獲取焊接過程中熔池穩(wěn)定 階段的多幅熔池圖片，將其轉換成灰度圖；利用己有的灰度-溫度標定曲線
將灰度圖轉換成二維溫度場圖片。
本發(fā)明對激光焊接熔池進行兩種測量與分析，即熔池的圖像分析和它 的熱輻射監(jiān)測。利用紅外光信號響應速度快測量范圍廣的特點獲得實時的 熔池熱輻射當量值，判斷和監(jiān)測小孔熔池的穩(wěn)定性；而利用小孔熔池的熱 像圖分析計算熔池輻射當量，以確定穩(wěn)定性的判斷值。本發(fā)明直接表征激 光焊接的本質(zhì)特征，提高了監(jiān)測的準確性。


圖l為本發(fā)明步驟流程圖。
圖2為熔池溫度場示意圖。
具體實施例方式
圖l為本發(fā)明步驟流程圖，首先啟動系統(tǒng)，然后進入?yún)?shù)設置模塊， 包括時間長度tl、 t2、 t3、攝像機相關參數(shù)、輻射當量偏差系數(shù)p等。參數(shù) 設置完畢后，啟動焊接設備，同時開始紅外信號采集。
工件開始焊接時，信號會突然變大，若信號超過預先設置的閾值，則 認為焊接開始。
將焊接開始后首先采集的tl時段數(shù)據(jù)丟棄。tl的長度是焊件走過一個 熔池長度需要的時間，典型的304不銹鋼激光焊接熔池的長度約5誦。
采集t2長度數(shù)據(jù)，t2的長度是焊件走過1 2個熔池長度需要的時間。 在系統(tǒng)繼續(xù)采集信號的同時，對t2長度數(shù)據(jù)進行分析。數(shù)據(jù)分析包括濾除 干擾信號的低通濾波，計算均值、福射當量偏差及熔池穩(wěn)定的閾值范圍W。
計算完畢后等待信號采集時間長度達到t3秒，t3秒焊接的長度即系統(tǒng) 能夠分辨的不穩(wěn)定焊接長度，即監(jiān)測周期。在系統(tǒng)繼續(xù)采集信號的同時， 對t3長度數(shù)據(jù)進行分析。數(shù)據(jù)分析包括與前邊同樣參數(shù)的低通濾波和均值 計算。監(jiān)測周期的長度根據(jù)實際焊接情況確定，應保證最小監(jiān)測周期長度 內(nèi)的焊接過程不穩(wěn)定不至于影響焊縫的質(zhì)量。
然后利用均值判斷焊接是否結束。在焊接結束時，信號會突然變小，
若信號低于預先設置的閾值，則認為焊接結束，關閉焊接設備、停止監(jiān)測 系統(tǒng)。
若焊接沒有結束，則判斷均值是否落在焊接穩(wěn)定區(qū)域W內(nèi)，在其中則 焊接穩(wěn)定，不在其中則焊接不穩(wěn)定。
若焊接穩(wěn)定，則系統(tǒng)繼續(xù)后面的監(jiān)測工作；若焊接不穩(wěn)定，則系統(tǒng)報 警后再繼續(xù)后邊的監(jiān)測工作，直至整條焊縫焊接完畢。
所述輻射當量偏差系數(shù)p按照以下方式獲取
獲取焊接過程中熔池穩(wěn)定時的爹幅熔池圖片，將其轉換成灰度圖。同 樣的灰度對應的溫度應相等，由此得到的304不銹鋼熔池溫度場示意圖如 圖2所示。其中的實線為等溫線，熔池以焊縫為軸上下基本對稱分布，中 心處為熔池匙孔，熔池溫度以匙孔為中心向四周很快下降。
在匙孔部分，主要由金屬蒸汽與等離子體構成，因此，其溫度為金屬 蒸汽的溫度。在這個區(qū)域，由于圖片三原色值都已經(jīng)達到飽和，無法在可 見光范圍內(nèi)來分析其顏色特性，該區(qū)域蒸汽運動劇烈，可認為溫度相等。 采用光學高溫計和熱電偶沿對稱軸線測定熔池溫度，這樣就可得到圖片的 灰度-溫度標定曲線。利用標定曲線將灰度圖轉換成二維溫度場圖片。
利用公式￡= pi^。(7^aA計算波長為入。的熔池的輻射當量，其中S
為熔池的面積，△入"10nm為單色波的帶寬，入。"1.55ym。
將熔池穩(wěn)定時連續(xù)拍攝的多幅熔池的輻射當量計算平均值Env、熔池面 積最大時對應的輻射當量為Ema^、熔池面積最小時對應的輻射當量為 Emirir。
計算輻射當量偏差參考值AE,=Max(Eniaxr-Emr， Em廠EminJ ; 計算輻射當量偏差系數(shù)p二AE乂 Emr.
權利要求
1、一種激光焊接過程穩(wěn)定性實時監(jiān)測方法，按照以下步驟進行(1)在激光焊接初始穩(wěn)定階段內(nèi)，采集熔池的紅外光信號，對其分析獲得熔池的熱輻射當量；(2)計算步驟(1)獲得的熔池熱輻射當量的平均值Em；(3)計算輻射當量偏差ΔE＝Em*ρ，ρ為輻射當量偏差系數(shù)；(4)確定熔池穩(wěn)定范圍WEm-ΔE≤W≤Em+ΔE；(5)在激光后續(xù)焊接過程中周期采集熔池的紅外光信號，計算熔池在單個周期內(nèi)熱輻射當量的平均值Fm，將其與熔池穩(wěn)定范圍W比較，若平均值Fm在熔池穩(wěn)定范圍W內(nèi)，則熔池穩(wěn)定，否則，熔池不穩(wěn)定；所述輻射當量偏差系數(shù)ρ＝ΔEr/Emr，當量偏差參考值ΔEr＝Max(Emaxr-Emr，Emr-Eminr)，熔池穩(wěn)定時熔池面積最大對應的輻射當量Emaxr、熔池穩(wěn)定時熔池面積最小對應的輻射當量Eminr和熔池穩(wěn)定時輻射當量的統(tǒng)計平均值Emr均依照二維溫度場圖片，按照下式計算E＝∫Mλ0(T)Δλds，其中，E為輻射當量Emaxr或輻射當量Eminr或輻射當量平均值Emr，1.1μm<波長λ0<3μm，Mλ0(T)是依據(jù)普朗克定律當溫度為T、波長為λ0時對應的單色輻射強度，s為熔池的面積，Δλ為單色波的帶寬；所述二維溫度場圖片按照下述方法獲取獲取焊接過程中熔池穩(wěn)定階段的多幅熔池圖片，將其轉換成灰度圖；利用已有的灰度-溫度標定曲線將灰度圖轉換成二維溫度場圖片。
全文摘要
一種激光焊接過程穩(wěn)定性實時監(jiān)測方法，首先在激光焊接初始穩(wěn)定階段內(nèi)，采集熔池的紅外光信號，對其分析獲得熔池的熱輻射當量，計算熔池熱輻射當量的平均值，再計算輻射當量偏差，然后確定熔池穩(wěn)定范圍，在激光后續(xù)焊接過程中周期采集熔池的紅外光信號，計算熔池在單個周期內(nèi)熱輻射當量的平均值，將其與熔池穩(wěn)定范圍比較，以判斷熔池穩(wěn)定性。本發(fā)明直接表征激光焊接的本質(zhì)特征，提高了監(jiān)測的準確性。
文檔編號G01J5/00GK101391344SQ20081019728
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權日2008年10月17日
發(fā)明者劉文中, 力 孔, 樸 張, 段愛琴 申請人:華中科技大學