本發(fā)明涉及汽車、軌道客車、航空航天、制藥裝備等技術領域的一種搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測技術，屬于焊接質量控制領域。

背景技術：

近年來，隨著汽車、軌道客車等制造領域對薄板焊接部件質量及生產效率要求的不斷提高，激光焊工藝以其高效、小變形等優(yōu)勢而得以廣泛應用。但是，激光焊工藝對工件的組對間隙、裝夾精度等條件要求較高，否則極易造成未熔透、成型不良等質量問題。因此，激光焊過程的在線監(jiān)測，尤其是熔透狀態(tài)監(jiān)測問題一直是焊接工作者關注的熱點，同時也是汽車、軌道客車等制造領域亟需解決的重點問題。

目前，激光焊過程的熔透狀態(tài)監(jiān)測大多采用基于等離子體的聲光特性監(jiān)測法和基于小孔表面特征的直接圖像監(jiān)測法。前者通過建立熔透狀態(tài)與等離子體聲光特性的數(shù)學模型，以聲光信號為監(jiān)測對象間接反映焊接過程的穩(wěn)定性。后者則通過視覺傳感器實時捕捉小孔二維圖像,并根據(jù)其幾何特征對接頭內部的熔透狀態(tài)進行評估。這些方法雖然能夠提供一定的質量信息，但是其設備復雜，且存在抗干擾能力差、適用范圍窄等問題，因而其進一步的推廣和應用受到了極大的制約。監(jiān)測技術的創(chuàng)新升級是解決上述問題的重要選擇對策。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置及方法，針對現(xiàn)階段薄板搭接激光焊接頭的焊接要求，以激光深熔焊自身所產生的超聲波為對象，對焊接過程中工件的熔透狀態(tài)進行監(jiān)測和評估，確保其達到焊接接頭的設計及工藝要求，最終實現(xiàn)薄板搭接激光焊接頭質量的在線監(jiān)測。

本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，是由監(jiān)測主機、跟隨裝置及信號線構成，跟隨裝置由連接桿、鎖緊螺栓、支撐桿、保持架、導向輪、壓緊彈簧和超聲波探頭構成，保持架通過支撐桿和鎖緊螺栓與連接桿連接，保持架的端部樞接導向輪，超聲波探頭活動穿設在保持架中，超聲波探頭上套設有壓緊彈簧，壓緊彈簧位于超聲波探頭頭端與保持架之間，超聲波探頭通過信號線與監(jiān)測主機相連，實現(xiàn)信號的傳遞，監(jiān)測主機通過數(shù)據(jù)總線與焊接設備控制器相連，實現(xiàn)焊接啟動、結束狀態(tài)指令的傳輸；跟隨裝置通過連接桿與激光焊設備實現(xiàn)剛性連接，在焊接過程中，跟隨裝置隨著激光頭同步運動。

本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測方法：

在焊接過程中，激光頭位于工件正面施焊，超聲波探頭位于激光頭的正前方(焊接方向)，在壓緊彈簧的壓緊作用下緊貼著工件的反面。由于小孔的前端(焊接方向)始終存在巨大的溫度梯度，從而致使其周圍尚未熔化的金屬產生瞬間熱應力。該熱應力通過固態(tài)金屬向四周傳播從而形成應力波(超聲波)。在線監(jiān)測裝置通過對此應力波的實時監(jiān)測，獲取應力波到達超聲波探頭的時間，從而對小孔的深度進行計算和評估。計算式如下：

L＝t×Vu

$T=T1+T2-\sqrt{L^2-D^2}$

式中，L為小孔底部與超聲波探頭直線距離，D為小孔中心與超聲波探頭中心的縱向距離，t為應力波(超聲波)到達超聲波探頭的時間，Vu為超聲波在金屬材料的傳播速度，T1為上層板的厚度，T2為下層板的厚度，T為小孔深度。

在線監(jiān)測裝置啟動后，首先進行超聲參數(shù)的初始化工作，加載預存的增益、濾波等設置參數(shù)，然后等待焊機發(fā)送來的焊接啟動指令。焊接開始后，在線監(jiān)測裝置自動采集超聲波探頭所捕捉到的超聲波信號，計算波頭到達超聲波探頭的時間t，并根據(jù)公式計算小孔深度T。在線監(jiān)測裝置持續(xù)地將計算得到的深度數(shù)據(jù)顯示于軟件主界面，同時存儲于內置的數(shù)據(jù)庫內，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監(jiān)測過程，然后進入等待狀態(tài)。在接收到下一個焊接開始指令后重復上述過程，最終完成所有焊縫的熔深監(jiān)測。

本發(fā)明的有益效果：

針對現(xiàn)階段薄板搭接激光焊接頭的焊接要求，本發(fā)明以激光深熔焊自身所產生的超聲波為對象，對焊接過程中工件的熔透狀態(tài)進行監(jiān)測和評估，確保其達到焊接接頭的設計及工藝要求，最終實現(xiàn)了薄板搭接激光焊接頭質量的在線監(jiān)測。

附圖說明

圖1是搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置結構示意圖。

圖2是跟隨裝置的工作示意圖。

圖3是超聲波測量原理示意圖。

圖4是超聲波信號圖。

圖5是小孔深度計算示意圖。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，是由監(jiān)測主機1、跟隨裝置2及信號線3構成，跟隨裝置2由連接桿21、鎖緊螺栓22、支撐桿23、保持架24、導向輪25、壓緊彈簧26和超聲波探頭27構成，保持架24通過支撐桿23和鎖緊螺栓22與連接桿21連接，保持架24的端部樞接導向輪25，超聲波探頭27活動穿設在保持架24中，超聲波探頭27上套設有壓緊彈簧26，壓緊彈簧26兩端分別擠壓在超聲波探頭27凸緣和保持架24之間，超聲波探頭27通過信號線3與監(jiān)測主機1相連，實現(xiàn)信號的傳遞，監(jiān)測主機1通過數(shù)據(jù)總線與焊接設備控制器相連，實現(xiàn)焊接啟動、結束狀態(tài)指令的傳輸；跟隨裝置2通過連接桿21與激光焊設備實現(xiàn)剛性連接，在焊接過程中，跟隨裝置2隨著激光頭4同步運動。

本發(fā)明之搭接激光焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測方法：

如圖2所示，在焊接過程中，激光頭4位于工件5正面施焊，超聲波探頭27位于激光頭4的正前方，圖2所示的箭頭為焊接方向，在壓緊彈簧26的壓緊作用下緊貼著工件5的反面，由于小孔6焊接方向的前端始終存在巨大的溫度梯度，從而致使其周圍尚未熔化的金屬產生瞬間熱應力。該熱應力通過固態(tài)金屬向四周傳播從而形成應力波即超聲波A，圖3所示，激光束B、溶化金屬C、焊縫D。在線監(jiān)測裝置通過對此應力波的實時監(jiān)測，獲取應力波到達超聲波探頭27的時間，從而對小孔6的深度進行計算和評估。計算式如下：

L＝t×Vu

$T=T1+T2-\sqrt{L^2-D^2}$

式中，L為小孔6底部與超聲波探頭27直線距離，D為小孔6中心與超聲波探頭27中心的縱向距離，t為應力波(超聲波)到達超聲波探頭27的時間，Vu為超聲波在金屬材料的傳播速度，T1為上層板51的厚度，T2為下層板52的厚度，T為小孔6深度，如圖4和圖5所示。

在線監(jiān)測裝置啟動后，首先進行超聲參數(shù)的初始化工作，加載預存的增益、濾波等設置參數(shù)，然后等待焊機發(fā)送來的焊接啟動指令。焊接開始后，在線監(jiān)測裝置自動采集超聲波探頭27所捕捉到的超聲波信號，計算波頭到達超聲波探頭27的時間t，并根據(jù)公式計算小孔深度T。在線監(jiān)測裝置持續(xù)地將計算得到的深度數(shù)據(jù)顯示于軟件主界面，同時存儲于內置的數(shù)據(jù)庫內，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監(jiān)測過程，然后進入等待狀態(tài)。在接收到下一個焊接開始指令后重復上述過程，最終完成所有焊縫的熔深監(jiān)測。

具體實例：

下面以軌道客車不銹鋼車體的激光焊熔深監(jiān)測為例進行說明：

(1)、監(jiān)測主機1采用基于Windows系統(tǒng)的一體化工業(yè)電腦，內置有超聲信號采集卡。超聲波信號的增益范圍-20～80dB，低通濾波范圍0～20MHz，最大采用率160MHz。超聲波探頭27采用筆式聚焦探頭，外殼直徑Φ8mm，中心頻率10MHz，聚焦深度10mm。超聲波探頭27前端集成有耐磨損、耐高溫的延遲塊，其與金屬板的接觸尺寸為Φ3mm。超聲波探頭27與監(jiān)測主機1之間采用同軸電纜連接，線徑4mm，阻抗50Ω。監(jiān)測主機1與焊接設備控制器之間采用RS232串口總線連接，實現(xiàn)焊接啟動、結束狀態(tài)指令的傳輸。RS232串口采用雙工通信，波特率：9600bps，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1。

(2)、跟隨裝置2由連接桿21、鎖緊螺栓22、支撐桿23、保持架24、導向輪25、壓緊彈簧26和超聲波探頭27構成，連接桿21長度800mm，上端采用緊固件與激光頭4相連接。壓緊彈簧26套在超聲波探頭27殼體上，壓緊彈簧26兩端分別擠壓在超聲波探27凸緣和保持架24之間。壓緊彈簧26中徑10mm，簧條直徑0.8mm，長度30mm，工作狀態(tài)的壓緊力為5N。超聲波探頭27中心距激光束中心的縱向距離D為5mm。

(3)、接頭型式為非熔透型搭接接頭，上層板51厚度1.2mm，下層板52厚度2mm。激光功率2kW，斑點直徑Φ0.6mm，焊接速度20mm/s，離焦量0。焊接材料為SUS301L不銹鋼，超聲波在其內部的傳播速度為5760m/s。

(4)、在線監(jiān)測裝置啟動后，首先進行超聲參數(shù)的初始化工作，加載預存的增益、濾波等設置參數(shù)，然后等待焊機發(fā)送來的焊接啟動指令。焊接開始后，在線監(jiān)測裝置自動采集超聲波探頭27所捕捉到的超聲波信號，計算波頭到達超聲波探頭27的時間t，并根據(jù)公式計算小孔深度T。在線監(jiān)測裝置持續(xù)地將計算得到的深度數(shù)據(jù)顯示于軟件主界面，同時存儲于內置的數(shù)據(jù)庫內，直到接收到焊接停止指令，從而完成一條焊縫的監(jiān)測過程。

在本實例所述的正常工藝條件下，接頭的平均熔深為2.2mm。監(jiān)測結果表明，超聲波波頭到達超聲波探頭27的時間為0.89μs，計算熔深為2.07mm，監(jiān)測精度可以達到±0.2。