專利名稱：基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法
技術領域：
本發明涉及激光焊接 過程中焊接缺陷在線監控領域，具體是一種基于譜線Cu I 324. Snm的強度的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線監控方法。
背景技術：
國內方面，清華大學國靜等人利用軸向光傳感器采集同軸光致等離子體光信號來實現激光焊接熔透檢測，研究發現板厚一定的時候，同軸光信號強度隨著線能量的增加而增加，而同軸光信號的頻心與激光功率之間的對應關系則恰好相反；華中科技大學段愛琴， 胡倫驥等人通過對伴隨激光深熔焊接所存在的光致等離子體的藍紫光信號相對強度的監測，以判斷焊縫的熔透性。研究表明，焊縫的熔透性與光致等離子體光信號的累積強度有對應關系，當焊縫全部熔透時，光信號穩定性非常好，而一旦焊縫未熔透或熔透性差時，光信號會產生極大的波動，同時他們還研究了利用光致等離子體聲信號監測激光焊縫的熔透性，發現焊縫熔透狀態不同，其熔池上方的光致等離子體聲信號的強度明顯不同，熔透時， 聲信號強度低得多；在焊縫的熔透趨于跳動狀態或未熔透時，聲信號強度明顯增強；曾浩等人利用小波變換對拾取的激光焊接等離子體的AE(Acoustic Emission)信號進行信號分析，并對小波分解后得到的細節信號進一步處理，在此基礎上提取的曲線很好地反映了激光焊接過程的狀態變化，能夠快速地檢測觀察焊接缺陷，說明利用聲信號實現對激光焊接質量控制是可行的；王春明等人研究了非穿透激光深熔焊熔深與等離子體光信號的關系， 通過改變激光功率和焊接速度來獲得不同焊縫熔深，采用光電傳感器采集等離子體的特征光信號;唐霞輝等人借鑒熔煉材料的激光焊接方法,結合粉末冶金材料特點對高功率CO2激光焊接粉末冶金材料的等離子體行為及控制方法進行了實驗研究。在同樣焊接條件下觀察到三種材料的等離子體光強信號幅值有明顯區別，Ni粉藍光最強，檢測信號的平均幅值最高，Co粉次之，Fe粉最弱。英國曼徹斯特大學Li和利物浦大學W M Steen最早設計了 PCS傳感器來測量光致等離子體的溫度；Hong ping Gu等檢測并分析了小孔前沿的紅外福射和等離子體紫外信號，發現小孔前沿的紫外輻射信號強度與焊縫寬度成一定關系；Migam0t0則采用光電二極管檢測連續激光焊接等離子體在控制和未控制情況下的動態行為，根據等離子體波形起伏可初步判斷焊縫穿透情況和焊接質量；D. Maischner等，開發了一種從工件上方和下方的金屬蒸氣等離子體光信號特征確定焊接熔透性的方法在下方，監測信號與小孔開合同步時的有無，在上方，金屬蒸氣等離子體光信號的波動頻率與穿透性相關；S. Postma等設計了一種碳鋼熔透性的反饋控制器，主要用于YAG激光焊接，這一系統主要基于對熔池光信號的測量，并用激光功率作為激勵器，光探測器通過帶寬為500Hz的低通濾波分析器，信號采集頻率20kHz，由DSP計算并控制；上述研究采用多種方法對焊接過程的焊接情況進行了檢測，然而沒有對鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中出現的特殊焊接缺陷-氣孔做相關研究，不能很好地實現對激光填粉焊接進行實時監控的目的和保證填粉焊接的質量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種基于Cu I 324. Snm 等離子體光譜信號的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法，實現對激光填粉焊接進行實時監控的目的，保證填粉焊接的質量。 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是一種基于Cu I 324. 8nm等離子體光譜信號的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法，包括焊接缺陷在線診斷裝置，焊接缺陷在線診斷裝置包括工作臺、固定在工作臺上的鍍鋅鋼(I)、計算機(5)、 激光器￠)，所述鍍鋅鋼(I)焊接部位正上方設有焊接頭(2)，焊接頭(2)內設有聚焦鏡，鍍鋅鋼(I)焊接部位側上方設有一個以上光電探測器(4)，光電探測器(4)與計算機(5)連接，計算機(5)與激光器(6)連接，該方法為激光束聚焦后對鍍鋅鋼(I)進行激光焊接，同時向焊接處添加銅粉；利用光電探測器(4)通過激光束成像透鏡(10)和帶通濾波片(11) 采集鍍鋅鋼(I)激光添粉焊接過程中的Cu I 324. Snm等離子體光譜信號，分析所采集的光譜信號，監測Cu I 324. 8nm譜線的相對強度變化當譜線Cu I 324. 8nm的強度I為背景光強度的時候無焊接缺陷產生；當譜線Cu I 324. Snm的強度突然陡增時，則判定焊縫中將出現焊接氣孔，同時計算機(5)在譜線Cu I 324. 8nm的強度突然增大時實時調整焊接工藝參數。背景光強度數值通常為20以內。所述工藝參數為激光功率、焊接速度、送粉量、離焦量。所述光電探測器⑷的采集頻率不小于IOOHz。激光焊接過程本質為一動態波動過程，只有穩定的動態波動焊接過程才能得到良好的焊縫，而對應此時的等離子體光譜強度也是處于動態穩定波動狀態，因此在對應元素特定譜線強度波動平穩時不產生焊接缺陷，當譜線強度突然變化時，就會產生焊接缺陷。采用添粉焊接能夠減少焊接過程飛焊接缺陷，所添加的粉末為銅粉，粉末添加的方式為同步送粉或預先添粉，其中同步送粉方式可采用同軸送粉、側向送粉兩種。所添加粉末材料被電離產生的特征元素等離子體光信號與焊接缺陷的關聯之一 鍍鋅鋼激光焊接過程中，由于鍍鋅層的極易氣化產生大量鋅蒸氣，影響焊接穩定性，使得焊接過程易產生多種焊接缺陷，為解決因鋅蒸氣而產生的焊接缺陷，可采用在焊接過程中添加特殊元素使鍍鋅層與添加的材料反應形成冶金固溶體，將鋅保存在焊縫中，減少鋅蒸氣的產生，從而減少鋅蒸氣引起的焊接缺陷，當所添加的粉末材料電離較少時，此時對應的熔融的添加粉末材料少，對焊接過程中大量的鋅蒸汽的抑制作用小，以致大量的鋅蒸汽的存在對焊接過程產生不利的影響，從而產生焊接缺陷；而所添加的粉末材料電離較多時，此時對應的熔融的添加粉末材料多，此時對焊接過程中大量的鋅蒸汽的產生有很大的抑制作用，但是由于大量異種材料的增加會使得焊縫的機械性能發生改變，而所添加粉末材料的電離多少與粉末的添加量和添加方式有很大的關系，由此可知，焊接過程中適當的熔融粉末也就是只有適當的粉末添加量和填粉方式才能得到理想的焊接效果，對所添加的粉末量的監測是觀測是否得到理想焊接效果的重要手段，而本發明所述的基于譜線Cu I 324. Snm 的強度的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法是實現在線監測的有效方法，并通過監測到的譜線Cu I 324. Snm的強度變化信息，計算機將會及時的優化焊接工藝參數，實現對焊接過程的在線監測和控制。所添加粉末材料被電離產生的特征元素等離子體光信號與焊接缺陷的關聯之二 圖4為譜線強度曲線與焊縫氣孔的對應關系圖。通過分析沿焊縫方向截面的有無氣孔變化和Cu I 324. 8nm譜線強度變化曲線，發現當譜線Cu I 324. 8nm的強度I基本為零的時候無焊接缺陷產生，當譜線Cu I 324. Snm的強度出現某個峰值時，則焊縫處對應時刻出現了焊接氣孔。這是因為焊縫的形成過程中，當出現氣孔時，Cu元素會向氣孔處偏析積聚，使得氣孔處銅元素含量增加，而氣孔類似高能量聚集的“能量黑體”，激光能量在氣孔處利用率增加，為氣孔壁完全吸收，易于使銅元素熔化、汽化，而由Boltzmann分布定律可知電離原子數越多，譜線強度越高。因此激光焊接過程中產生的Cu I 324. Snm等離子體光信號可以用來有效監測鍍鋅鋼添加銅粉焊接過程中氣孔的產生。本發明針對鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅層易氣化成大量鋅蒸氣，鋅蒸氣使得焊接過程易產生多種焊接缺陷，如焊縫氣孔、凹陷等，在添加銅粉抑制鋅蒸氣產生的基礎上，利用焊接過程譜線Cu I 324. Snm的強度實時檢測鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中的焊接缺陷，同時通過自動調整工藝參數控制焊接過程，避免焊接氣孔的出現，本發明實現了對激光填粉焊接進行實時監控的目的，保證了填粉焊接的質量，對實際生產具有重大的意義；本發明只需采集譜線Cu I 324. Snm等離子體光譜信號對激光焊接過程中的添粉量進行在線監測，檢測方法便捷，且可通過分析譜線Cu I 324. Snm強度變化實時判斷出焊接缺陷是否出現及出現的時刻，并可及時修改焊接工藝參數以避免氣孔的出現，此發明同時實現了激光填粉焊接中焊接小孔的檢測和控制，在實際生產中解決焊接缺陷難題上實現重大的突破。
圖I為本發明一實施例焊接缺陷在線診斷裝置結構框圖；圖2為本發明一實施例預先添粉原理圖；圖3為本發明一實施例同步送粉原理圖；圖4為本發明一實施例焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應關系圖；(a) Cu元素重量百分數為I. 6%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應關系圖；(b)Cu 元素重量百分數為2. 33%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應關系圖；(C)Cu元素重量百分數為3. 35 %時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應關系圖；(d) Cu元素重量百分數為4. 75%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應關系圖；(e)Cu元素重量百分數為6. 86%時焊接氣孔與CuI324. 8nm譜線相對強度的對應關系圖；其中1 :鍍鋅鋼；2 :焊接頭；3 :焊縫；4 :單波長光電探測器；5 :計算機；6 :激光器；7 :送粉器；8 :等離子體；9 :焊接方向；10 :激光束成像透鏡；11 :帶同濾波片；12 :預置銅粉；13 側向送粉。
具體實施例方式如圖I所示，本發明一實施例焊接缺陷在線診斷裝置包括工作臺、固定在工作臺上的鍍鋅鋼1，所述鍍鋅鋼I焊接部位正上方設有焊接頭2，焊接頭2內設有聚焦鏡，焊接頭 2上固定有鍍鋅鋼激光添粉焊接的送粉器7 (型號wi77544、IGS-3、IGS-3X等)，鍍鋅鋼I焊接部位側上方分別設有激光束成像透鏡10、帶同濾波片11 (中心波長324. 8nm)和光電探測器4 (硅光電二極管)組成的單波長光電探測器組件，單波長光電探測器通過光纖與一用于保存并顯示采集的等離子體光信號的計算機5相連，計算機5與激光器6 (DC025型板條式C02激光器)連接。如圖I和2所示，粉末添加的方式為預先添粉或同步送粉，本實施例采用如圖2 所示的同步送粉方式中的側向送粉，且粉末由光束前方送入焊接部位，等離子體光信號采集采用單波長光電探測器，探測器位于焊接部位上方與激光束成一角度，從焊接小孔上方采集譜線Cu I 324. Snm等離子體光信號，單波長光電探測器組件所采集的為譜線Cu I 324. 8nm等離子體光信號，單波長光電探測器組件布置的高度和角度及探測器的個數由所需采集的信號數量、信號強弱等決定，所采集的譜線Cu I 324. Snm等離子體光信號保存并顯示在計算機5中。本是實施例中，基于Cu I 324. Snm等離子體光譜信號的鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷的在線診斷方法的步驟為激光束聚焦后對鍍鋅鋼I進行激光焊接，同時向焊接處添加銅粉；利用單波長光電探測器組件采集鍍鋅鋼I激光添粉焊接過程中的Cu I 324. Snm等離子體光譜信號，分析所采集的光譜信號，監測Cu I 324. Snm譜線的相對強度變化當譜線Cu 1324. Snm的強度I為背景光強度(其數值通常為20以內)的時候無焊接缺陷產生；當譜線Cu I 324. Snm的強度突然增大時，則判定焊縫中將出現焊接氣孔，同時 計算機5在譜線Cu I 324. 8nm的強度突然增大時自動調整焊接的工藝參數，然后將優化后的工藝參數反饋給激光器，焊接繼續進行。焊接過程中所述單波長光電探測器組件采集了譜線Cu I 324. Snm的等離子體光譜強度，鍍鋅鋼激光焊接中，鋅的蒸氣量減少有利于焊接缺陷產生概率的降低，添加材料銅與鋅產生的固熔體可以直接減少鋅的蒸發，因而Cu元素等離子體光信號在產生焊接氣孔時會出現劇烈波動，在大量實驗的基礎上我們已得出譜線Cu I 324. 8nm的強度變化與焊接氣孔的出現有很明顯的關系，本實施例的研究過程中采用體視鏡觀察焊縫縱截面的形貌， 同時采用了多個單波長光電探測器組件在線監測了銅粉不同添加量下譜線Cu I 324. Snm 的強度圖4為用單波長光電探測器組件采集的特征元素等離子體光信號為譜線Cu I 324. 8nm的強度變化圖，其中Cu元素重量百分數分別為1.6%、2. 33%,3. 35%,4. 75%, 6. 86%。通過對比上述采集得到的在不同填粉量的情況下，譜線Cu I 324. Snm的強度的變化同在線實時診斷焊接缺陷得到的一致的特征當譜線Cu 1324. 8nm的強度出現某個峰值時，則焊縫處對應時刻出現了焊接氣孔，譜線Cu I 324. 8nm的強度變化同時也對應鋅蒸氣的量，鋅蒸汽與熔融的Cu形成固溶體，如果Cu I 324. Snm的等離子體信號強度I為背景光強度(其數值通常為20以內)時，則焊接中產生的大量鋅蒸汽將與熔融的Cu穩定的形成大量的固溶體，鋅蒸汽對焊接的影響作用減小，焊接中產生氣孔的概率減小；如果Cu I 324. Snm的等離子體信號發生劇烈波動，則鋅蒸汽與熔融的Cu形成的固溶體不穩定，此時由于有大量的鋅蒸汽存在，對焊接過程造成很大不利的影響，焊接過程中就會有氣孔產生， 因為在鍍鋅鋼I激光焊接過程中，鋅與銅可發生反應形成鋅與銅的固溶體，減少了鋅蒸氣從而減少了焊縫中的氣孔，銅粉的送粉速度控制可由送粉器粗略控制。焊接缺陷主要是指焊縫表面的氣孔、凹陷，而焊縫表面的氣孔的形成主要是由于鍍層鋅處的鋅極易汽化產生大量的鋅蒸汽影響所致，鍍鋅鋼鍍鋅層的作用為防止鋼材腐蝕，焊接過程中鋅的減少必定對鍍鋅鋼鍍鋅層的防腐蝕性能有所降低；在焊接過程中添加的銅粉可與鍍鋅層發生反應形成固溶體，從而將鋅保存在焊縫當中，抑制鋅蒸汽的形成，進而降低因鋅蒸汽的存在而導致焊接氣孔的出現，檢測Cu I 324. Snm等離子體輻射光譜信號強度，反應被抑制的鋅蒸汽量。通過分析沿焊縫方向截面的有無氣孔變化和Cu I 324. Snm譜線強度變化曲線，發現當譜線Cu I 324. Snm的強度出現某個峰值時，則焊縫處對應時刻出現了焊接氣孔，這是因為焊縫的形成過程中，當出現氣孔時，銅元素會向氣孔處偏析積聚，使得氣孔處銅元素含量增加，而氣孔類似高能量聚集的“能量黑體”，激光能量在氣孔處利用率增加，為氣孔壁完全吸收，易于使銅元素熔化、汽化，而由Boltzmann分布定律可知電離原子數越多，譜線強度越高，因此激光焊接過程中產生的Cu I 324. Snm等離子體光信號可以用來有效監測鍍鋅鋼添加銅粉焊接過程中氣孔的產生。以上所需要的光敏傳感器必須有足夠快的信號采集頻率，以得到連續的信號變化特征，其 采集頻率不小于IOOHz。
權利要求
1.一種基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法，包括焊接缺陷在線診斷裝置，焊接缺陷在線診斷裝置包括工作臺、固定在工作臺上的鍍鋅鋼(I)、計算機(5)、 激光器￠)，所述鍍鋅鋼(I)焊接部位正上方設有焊接頭(2)，焊接頭(2)內設有聚焦鏡，鍍鋅鋼(I)焊接部位側上方設有一個以上光電探測器(4)，光電探測器(4)與計算機(5)連接，計算機(5)與激光器(6)連接，其特征在于，該方法為激光束聚焦后對鍍鋅鋼(I)進行激光焊接，同時向焊接處添加銅粉；利用光電探測器(4)通過激光束成像透鏡(10)和帶通濾波片(11)采集鍍鋅鋼(I)激光添粉焊接過程中的Cu I 324. Snm等離子體光譜信號，分析所采集的光譜信號，監測Cu I 324. 8nm譜線的相對強度變化當譜線Cu I 324.8nm的強度I為背景光強度的時候無焊接缺陷產生；當譜線Cu I 324. 8nm的強度突然陡增時，則判定焊縫中將出現焊接氣孔，同時計算機(5)在譜線Cu I 324. Snm的強度突然增大時實時調整焊接工藝參數。
2.根據權利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述控制工藝參數為激光功率、焊接速度、送粉量、離焦 量。
3.根據權利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述光電探測器(4)的采集頻率不小于100Hz。
4.根據權利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述光電探測器為單波長光電探測器組件。
5.根據權利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述光電探測器組件通過光纖與計算機連接。
6.根據權利要求I所述的基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法， 其特征在于，所述背景光強度數值為20以內。
全文摘要
本發明公開了一種基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法，本發明針對鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅層易氣化成大量鋅蒸氣，鋅蒸氣使得焊接過程易產生多種焊接缺陷，如焊縫氣孔、凹陷等的問題，在添加銅粉抑制鋅蒸氣產生的基礎上，利用焊接過程譜線Cu I 324.8nm的強度，實時檢測鍍鋅鋼激光添粉焊接過程中焊接缺陷，同時通過自動調整工藝參數控制焊接過程，避免焊接氣孔的出現，本發明實現了對激光填粉焊接進行實時監控的目的，保證了填粉焊接的質量，對實際生產具有重大的意義。
文檔編號B23K26/03GK102615423SQ20121012453
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者史如坤, 張屹, 段林勇 申請人:湖南大學