本发明专利技术公开了一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法，在线监测装置，是由监测主机、跟随装置及信号线构成，跟随装置的超声波探头通过信号线与监测主机相连，监测主机通过数据总线与焊接设备控制器相连，跟随装置通过连接杆与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，激光头位于工件正面施焊，超声波探头位于激光头的正前方，在压紧弹簧的压紧作用下紧贴着工件的反面，由于小孔的前端始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力。该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波，在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头的时间，从而对小孔的深度进行计算和评估。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等
的一种搭接激光焊熔透状态在线监测技术，属于焊接质量控制领域。
技术介绍
近年来，随着汽车、轨道客车等制造领域对薄板焊接部件质量及生产效率要求的不断提高，激光焊工艺以其高效、小变形等优势而得以广泛应用。但是，激光焊工艺对工件的组对间隙、装夹精度等条件要求较高，否则极易造成未熔透、成型不良等质量问题。因此，激光焊过程的在线监测，尤其是熔透状态监测问题一直是焊接工作者关注的热点，同时也是汽车、轨道客车等制造领域亟需解决的重点问题。目前，激光焊过程的熔透状态监测大多采用基于等离子体的声光特性监测法和基于小孔表面特征的直接图像监测法。前者通过建立熔透状态与等离子体声光特性的数学模型，以声光信号为监测对象间接反映焊接过程的稳定性。后者则通过视觉传感器实时捕捉小孔二维图像,并根据其几何特征对接头内部的熔透状态进行评估。这些方法虽然能够提供一定的质量信息，但是其设备复杂，且存在抗干扰能力差、适用范围窄等问题，因而其进一步的推广和应用受到了极大的制约。监测技术的创新升级是解决上述问题的重要选择对策。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置及方法，针对现阶段薄板搭接激光焊接头的焊接要求，以激光深熔焊自身所产生的超声波为对象，对焊接过程中工件的熔透状态进行监测和评估，确保其达到焊接接头的设计及工艺要求，最终实现薄板搭接激光焊接头质量的在线监测。本专利技术之搭接激光焊熔透状态在线监测装置，是由监测主机、跟随装置及信号线构成，跟随装置由连接杆、锁紧螺栓、支撑杆、保持架、导向轮、压紧弹簧和超声波探头构成，保持架通过支撑杆和锁紧螺栓与连接杆连接，保持架的端部枢接导向轮，超声波探头活动穿设在保持架中，超声波探头上套设有压紧弹簧，压紧弹簧位于超声波探头头端与保持架之间，超声波探头通过信号线与监测主机相连，实现信号的传递，监测主机通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置通过连接杆与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置随着激光头同步运动。本专利技术之搭接激光焊熔透状态在线监测方法：在焊接过程中，激光头位于工件正面施焊，超声波探头位于激光头的正前方(焊接方向)，在压紧弹簧的压紧作用下紧贴着工件的反面。由于小孔的前端(焊接方向)始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力。该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波(超声波)。在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头的时间，从而对小孔的深度进行计算和评估。计算式如下：L＝t×VuT=T1+T2-L2-D2]]>式中，L为小孔底部与超声波探头直线距离，D为小孔中心与超声波探头中心的纵向距离，t为应力波(超声波)到达超声波探头的时间，Vu为超声波在金属材料的传播速度，T1为上层板的厚度，T2为下层板的厚度，T为小孔深度。在线监测装置启动后，首先进行超声参数的初始化工作，加载预存的增益、滤波等设置参数，然后等待焊机发送来的焊接启动指令。焊接开始后，在线监测装置自动采集超声波探头所捕捉到的超声波信号，计算波头到达超声波探头的时间t，并根据公式计算小孔深度T。在线监测装置持续地将计算得到的深度数据显示于软件主界面，同时存储于内置的数据库内，直到接收到焊接停止指令，从而完成一条焊缝的监测过程，然后进入等待状态。在接收到下一个焊接开始指令后重复上述过程，最终完成所有焊缝的熔深监测。本专利技术的有益效果：针对现阶段薄板搭接激光焊接头的焊接要求，本专利技术以激光深熔焊自身所产生的超声波为对象，对焊接过程中工件的熔透状态进行监测和评估，确保其达到焊接接头的设计及工艺要求，最终实现了薄板搭接激光焊接头质量的在线监测。附图说明图1是搭接激光焊熔透状态在线监测装置结构示意图。图2是跟随装置的工作示意图。图3是超声波测量原理示意图。图4是超声波信号图。图5是小孔深度计算示意图。具体实施方式如图1和图2所示，本专利技术之搭接激光焊熔透状态在线监测装置，是由监测主机1、跟随装置2及信号线3构成，跟随装置2由连接杆21、锁紧螺栓22、支撑杆23、保持架24、导向轮25、压紧弹簧26和超声波探头27构成，保持架24通过支撑杆23和锁紧螺栓22与连接杆21连接，保持架24的端部枢接导向轮25，超声波探头27活动穿设在保持架24中，超声波探头27上套设有压紧弹簧26，压紧弹簧26两端分别挤压在超声波探头27凸缘和保持架24之间，超声波探头27通过信号线3与监测主机1相连，实现信号的传递，监测主机1通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置2通过连接杆21与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置2随着激光头4同步运动。本专利技术之搭接激光焊熔透状态在线监测方法：如图2所示，在焊接过程中，激光头4位于工件5正面施焊，超声波探头27位于激光头4的正前方，图2所示的箭头为焊接方向，在压紧弹簧26的压紧作用下紧贴着工件5的反面，由于小孔6焊接方向的前端始终存在巨大的温度梯度，从而致使其周围尚未熔化的金属产生瞬间热应力。该热应力通过固态金属向四周传播从而形成应力波即超声波A，图3所示，激光束B、溶化金属C、焊缝D。在线监测装置通过对此应力波的实时监测，获取应力波到达超声波探头27的时间，从而对小孔6的深度进行计算和评估。计算式如下：L＝t×VuT=T1+T2-L2-D2]]>式中，L为小孔6底部与超声波探头27直线距离，D为小孔6中心与超声波探头27中心的纵向距离，t为应力波(超声波)到达超声波探头27的时间，Vu为超声波在金属材料的传播速度，T1为上层板51的厚度，T2为下层板52的厚度，T为小孔6深度，如图4和图5所示。在线监测装置启动后，首先进行超声参数的初始化工作，加载预存的增益、滤波等设置参数，然后等待焊机发送来的焊接启动指令。焊接开始后，在线监测装置自动采集超声波探头27所捕捉到的超声波信号，计算波头到达超声波探头27的时间t，并根据公式计算小孔深度T。在线监测装置持续地将计算得到的深度数据显示于软件主界面，同时存储于内置的数据库内，直到接收到焊接停止指令，从而完成一条焊缝的监测过程，然后进入等待状态。在接收到下一个焊接开始指令后重复上述过程，最终完成所有焊缝的熔深监测。具体实例：下面以轨道客车不锈钢车体的激光焊熔深监测为例进行说明：(1)、监测主机1采用基于Windows系统的一体化工业电脑，内置有超声信号采集卡。超声波信号的增益范围-20～80dB，低通滤波范围0～20MHz，最大采用率160MHz。超声波探头27采用笔式聚焦探头，外壳直径Φ8mm，中心频率10MHz，聚焦深度10mm。超声波探头27前端集成有耐磨损、耐高温的延迟块，其与金属板的接触尺寸为Φ3mm。超声波探头27与监测主机1之间采用同轴电缆连接，线径4mm，阻抗50Ω。监测主机1与焊接设备控制器之间采用RS232串口总线连接，实现焊接启动、结束状态指令的传输。RS232串口采用双工通信，波特率：9600bps，数据位：8，停止位：1。(2)、跟随装置2由连接杆21、锁紧螺栓22、支撑杆23、保持架24、导向轮25、压紧弹簧26和超声波探头27构成，连接杆21长度本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置，其特征在于：是由监测主机(1)、跟随装置(2)及信号线(3)构成，跟随装置(2)由连接杆(21)、锁紧螺栓(22)、支撑杆(23)、保持架(24)、导向轮(25)、压紧弹簧(26)和超声波探头(27)构成，保持架(24)通过支撑杆(23)和锁紧螺栓(22)与连接杆(21)连接，保持架(24)的端部枢接导向轮(25)，超声波探头(27)活动穿设在保持架(24)中，，超声波探头(27)上套设有压紧弹簧(26)，压紧弹簧(26)两端分别挤压在超声波探头(27)凸缘和保持架(24)之间，超声波探头(27)通过信号线(3)与监测主机(1)相连，实现信号的传递，监测主机(1)通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置(2)通过连接杆(21)与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置(2)随着激光头(4)同步运动。
【技术特征摘要】
1.一种搭接激光焊熔透状态在线监测装置，其特征在于：是由监测主机(1)、跟随装置(2)及信号线(3)构成，跟随装置(2)由连接杆(21)、锁紧螺栓(22)、支撑杆(23)、保持架(24)、导向轮(25)、压紧弹簧(26)和超声波探头(27)构成，保持架(24)通过支撑杆(23)和锁紧螺栓(22)与连接杆(21)连接，保持架(24)的端部枢接导向轮(25)，超声波探头(27)活动穿设在保持架(24)中，，超声波探头(27)上套设有压紧弹簧(26)，压紧弹簧(26)两端分别挤压在超声波探头(27)凸缘和保持架(24)之间，超声波探头(27)通过信号线(3)与监测主机(1)相连，实现信号的传递，监测主机(1)通过数据总线与焊接设备控制器相连，实现焊接启动、结束状态指令的传输；跟随装置(2)通过连接杆(21)与激光焊设备实现刚性连接，在焊接过程中，跟随装置(2)随着激光头(4)同步运动。2.一种权利要求1所述搭接激光焊熔透状态在线监测装置的在线检测监测方法，该方法是：在焊接过程中，激光头(4)位于工件(5)正面施焊，超声波探头(27)位于激光头(4)的正前方，在压紧弹簧(26)的压紧作用下紧贴着工件(5)的反面；由于小孔(6)的焊接方向的前端始终存在巨大的温度...
【专利技术属性】
技术研发人员：段珍珍，孙立权，王毅，贾坤宁，张晓庆，
申请(专利权)人：长春工程学院，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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