[发明专利]基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的在线检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种基于光谱分析的激光焊T型搭接接头间隙的在线检测方法。

背景技术

激光焊接由于具有深宽比大、热影响区、热变形小以及生产效率高等优点，且随着激光器件的发展，激光束品质和功率都有很大提高，已经被越来越多地被应用于工业生产中。在激光焊接过程中伴随着多种光、声、热、电辐射现象，这些信号包含着与焊接过程和焊接质量相关的许多信息。其中，激光焊等离子的动态变化与焊接过程稳定性和缺陷的产生有相当大的关系，同时，光致等离子体与熔池和小孔又有紧密联系，彼此影响，共同决定了焊接过程的稳定性和焊接质量。实时检测等离子体在焊接过程的动态变化和物理过程特征，能够揭示焊接过程的物理机制，指导焊接生产并改善焊接质量。

激光焊T型搭接接头是一种新型的搭接接头型式，采用激光焊接优势明显，目前对其相关的研究较少。在深熔搭接焊T型接头过程中受试样加工精度、夹具和焊接变形的影响，上下板间隙很难避免。而间隙的存在必将影响焊接过程的稳定性，引起焊接缺陷的产生。等离子体的动态变化与间隙也必有一定的联系。因此，对间隙进行实时检测，就能控制激光搭接焊接过程的稳定性和焊接质量，开发适用于激光搭接焊间隙的检测和跟踪技术，已成为能否保证激光焊T型搭接接头焊接质量的关键。

光辐射是激光焊接中最明显、最基本的一种物理现象，它是等离子体在该时刻的物理状态的一种宏观表现。焊接等离子体强度与其内部温度、粒子密度和成分等参量有着紧密的联系，即光谱强度与等离子体内部热力学系统的全部状态参量有关。光谱检测的原理是：使用光谱仪将等离子体光辐射分解为光谱，根据谱图特征与等离子体内部参数间的联系反映等离子体内部的物理状态。光谱检测法有着很多优点：(1) 信息量丰富。光谱谱线是由光辐射电磁波分解中得到的，每种元素均有其特定波长的特征谱线分布。(2) 灵敏度高、选择性好。不同元素的谱线是相应原子或离子的外层电子在能级间跃迁发出的，它与元素内部电子排布相关，在光谱谱图中具有固定波长，有很高的灵敏度。光谱数据信号多，可用于分析的线谱数量多，选择性好。(3) 可进行整体频域和单一谱线时域的检测。(4) 采用非侵入式方法，不干扰等离子体。光谱法是间接测量，与被测对象无任何光电的干扰，增强了试验的客观性和准确性。(5) 时空分辨率高。借助于采集系统，可以获得较高时间、空间分辨率的光谱谱图，这为光谱信息应用创造条件。

目前，采用视觉传感技术和光谱分析技术对激光焊接过程产生等离子体的研究较多，而采用光谱分析法检测激光搭接焊间隙相关研究还没有发现。如，名为“激光搭接焊过程间隙的检测”(宫本勇等，激光工程，1996年，第24卷，第9期，67-69页)一文中，Isamu MIYAMOTO等人利用光电二极管检测了激光搭接焊汽车板过程中孔内等离子体和孔外等离子体信号强度与间隙量的关系，该研究发现等离子体光发射交流信号的频率大约达到了10kHz，而当间隙大于0.3mm，频率为4-6 kHz时交流的均方值发生突变，孔内等离子体的信号强度和峰值频率与间隙量都有很好的对应关系。此文中采用光电二极管采集的等离子体信号设备和原理较为复杂，且作者只是针对薄板和较小的间隙量进行检测，没有考虑更厚的钢板和大间隙量情况。

在名为“激光焊等离子体相关分析”（T.Sibillano等，光学交流，2005年，第251卷，第1期，139-148页）一文中，研究者采用光谱仪采集激光焊接等离子体信号，通过计算得到了等离子体发射光谱的自相关系数，并得到了焊接缺陷和光谱之间的联系性，研究同时指出等离子体的光谱强度和焊缝成形之间的相关性不大。

中国专利申请号为201210124534. 6，发明名称为“基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法”公开了一种基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，该发明针对镀锌钢激光焊接过程中锌层易气化成大量锌蒸气，锌蒸气使得焊接过程易产生多种焊接缺陷，如焊缝气孔、凹陷等的问题，在添加铜粉抑制锌蒸气产生的基础上，利用焊接过程谱线Cu I 324. 8nm的强度，实时检测镀锌钢激光添粉焊接过程中焊接缺陷，同时通过自动调整工艺参数控制焊接过程，避免焊接气孔的出现。

发明内容

针对激光焊接T型搭接接头技术领域，本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种基于等离子体光谱分析的激光焊接T型搭接接头间隙的在线检测方法，实现对激光搭接焊间隙的检测，保证焊接过程的稳定性和焊接质量。

本发明提出的基于等离子体光谱分析的激光焊接T型搭接接头间隙的检测方法包括如下步骤：