本发明专利技术涉及一种焊接熔池内部轮廓检测装置和焊接装置及其方法，检测方法包括以下步骤，利用脉冲激光器照射在熔池表面形成一列光斑，并在熔池的光斑内产生超声信号；依次扫描光斑，同步采集光斑的超声信号；获取每个光斑对应超声信号通过母材和隔热楔块的首峰到达时间及幅值，其中，如有幅值过低处则标记为熔池气泡；计算相关传播时间得到熔池的该列内部截面轮廓曲线；重复上述检测步骤直至覆盖整个熔池，依次得到多列熔池内部截面轮廓曲线；平滑处理连接熔池的多列内部截面轮廓曲线，得到熔池完整的内部三维轮廓曲面，连接多列熔池气泡在xoy面投影的y向尺寸，得到熔池气泡在xoy面投影，进而可以相应调整焊接工艺参数，提升焊接质量。
1、焊接熔池内部轮廓作为一种与焊接过程和焊接质量密切相关的的因素，熔池的内部轮廓不仅决定了焊缝的形状，而且与焊缝的结晶过程也有密切的关系，对焊缝的组织力学性能和焊接质量有着重要影响，如熔池内部轮廓中最重要的熔深直接影响到接头的承载能力，熔池的深宽比直接影响接头的焊接质量。
2、可靠检测并提取焊接熔池内部轮廓信息对深入理解焊接热源熔池耦合作用和焊缝熔透状态等焊接基础理论问题具有十分重要的意义，但是在实际焊接过程中，熔池内部轮廓并不能够直接观察得到，想要准确获取熔池内部轮廓特征信息十分困难。传统熔池形貌测量法(弧压法、弧光法和结构光法)信噪比低、鲁棒性差、无法表征熔池内部形貌信息。
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的之一是：提供一种焊接熔池内部轮廓检测方法，能够实现焊接过程中高温液态熔池内部轮廓和熔池内部气泡在xoy面投影的在线测量，从而利于调整焊接工艺参数，提升焊接质量。
3、本专利技术的目的之三是：提供一种焊接装置，能够实现焊接过程中高温液态熔池内部轮廓和熔池内部气泡在xoy面投影的在线测量，并基于获得的测量结果调整焊接工艺参数，提升焊接质量。
>4、本专利技术的目的之四是：提供一种焊接方法。5、为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
6、一种焊接熔池内部轮廓检测方法包括以下步骤，
7、将母材置于隔热楔块上，利用脉冲激光器照射在熔池表面一侧形成一列光斑，并基于光声效应在每个熔池上的光斑内产生超声信号；
8、依次扫描该列的每个光斑，数据采集卡同步采集每个光斑的超声信号；
9、获取每个光斑对应超声信号通过母材和隔热楔块的首峰到达时间及幅值，其中，如有幅值过低处则标记为熔池气泡；
10、根据母材和隔热楔块的厚度以及超声信号在传播路径中的相关介质内超声速度和首峰到达时间，计算相关传播时间；
11、根据相关介质内超声速度和相关传播时间计算得到超声在熔池内部的传播距离，得到该列熔池边界的轮廓点；
12、获取熔池气泡在xoy面投影的y向尺寸，然后去除掉熔池气泡的轮廓点，平滑处理连接熔池边界的剩余轮廓点所得曲线，即为熔池的该列内部截面轮廓曲线；
13、重复上述检测步骤，沿焊接方向依次扫描直至覆盖整个熔池，依次得到多列熔池内部截面轮廓曲线和熔池气泡在xoy面投影的y向尺寸；
14、平滑处理连接熔池的多列内部截面轮廓曲线，得到熔池完整的内部三维轮廓曲面，连接多列熔池气泡在xoy面投影的y向尺寸，得到熔池气泡在xoy面投影。
15、进一步地，采集光斑的超声信号时，通过同步控制器按一定频率控制脉冲激光器和数据采集卡，保证超声信号的激发和检测同步。
16、进一步地，计算相关传播时间的方式为，获取熔池中超声速度、母材中超声速度、隔热楔块中超声速度、母材厚度、隔热楔块厚度和首峰到达时间，建立由以下多个方程组成的方程组并求解获得，
17、熔池中超声速度x熔池中传播时间+母材中超声速度x母材中传播时间＝母材厚度；隔热楔块中超声速度x隔热楔块中传播时间＝隔热楔块厚度；熔池中传播时间+母材中传播时间+隔热楔块中传播时间＝首峰到达时间。
18、进一步地，熔池边界的轮廓点的计算方式为，
19、超声在熔池内部的传播距离＝熔池中超声速度x熔池中传播时间。
20、进一步地，相关介质内超声速度的获取方式为，结合熔池温度测量结果和专家系统中母材、熔池和隔热楔块的温度仿真系统建立的焊接参数库，依据其中材料温度阶梯，建立熔池及母材和隔热楔块中的阶梯化声速根据传播路径，通过公式计算出传播路径的对应介质内的平均声速，即为该传播路径的相关介质内超声速度。
21、进一步地，扫描光斑时，所有光斑列均匀分布，所有行数均匀分布，列距离和行距离均大于激光光斑直径，调整列距离、行距离和光斑大小，进而调整检测熔池内部轮廓的横向分辨率，光斑扫描面覆盖高温液态熔池表面，避开匙孔入口区域。
22、一种焊接熔池内部轮廓检测装置，包括用于放置母材的隔热楔块、脉冲激光器、数据采集卡和控制单元；
23、脉冲激光器用于照射在母材的熔池表面依次形成多列光斑，并基于光声效应在每个熔池上的光斑内产生超声信号；
24、数据采集卡用于采集每个光斑的超声信号并发送到控制单元；
25、控制单元根据接收到的超声信号获取每个光斑对应超声信号通过母材和隔热楔块的首峰到达时间及幅值，根据母材和隔热楔块的厚度以及超声信号在传播路径中的相关介质内超声速度和首峰到达时间，计算得到熔池完整的内部三维轮廓曲面，并根据每个光斑对应超声信号的幅值，计算得到熔池气泡在xoy面的投影。
26、进一步地，还包括光路系统、二维振镜、耐高温超声耦合剂、压电传感器、数据采集卡、高速相机和红外测温系统，脉冲激光器用于通过光路系统将激光整形传递至二维振镜，二维振镜用于对熔池进行激光的二维扫描，压电传感器通过耐高温超声耦合剂紧密连接在隔热楔块下表面，检测激光照射在熔池表面基于光声效应产生超声信号，熔池中超声信号通过耐高温超声耦合剂传递到隔热楔块中，然后通过隔热楔块下表面的超声耦合剂传递到压电传感器，数据采集卡同步采集压电传感器检测到的超声信号，并传递到控制单元进行数据分析，高速相机用于识别熔池表面和匙孔入口的分布区域，红外测温系统用于测量熔池表面温度并发送到控制单元以建立熔池及母材和隔热楔块中的阶梯化声速。
27、一种焊接装置，包括焊接单元和焊接熔池内部轮廓检测装置，控制单元包括上位机、运动控制模块和同步控制器，上位机用于对焊接单元和熔池内部轮廓检测装置进行编程和参数调制，并进行检测信号的分析处理，运动控制模块用于控制三维运动平台根据设定程序进行三维移动，同时控制二维振镜根据设定程序进行脉冲激光二维扫描，同步控制器用于给焊接单元和熔池内部轮廓检测装置的触发和结束提供唯一时序，保证超声信号的激发和检测同步。
28、一种焊接方法，采用一种焊接装置，包括以下步骤，
29、利用焊接熔池内部轮廓检测装置获得熔池完整的内部三维轮廓曲面以及熔池气泡在xoy面投影，
30、通过熔池内部三维轮廓曲面和熔池气泡在xoy面投影，得到熔池的熔深和熔宽信息，结合专家系统，调整焊接工艺参数，提高焊接质量。
31、总的说来，本专利技术具有如下优点：
32、本专利技术基于光声效应在熔池上的光斑内产生超声信号，并基于超声信号进行相关计算，获得熔池内部截面轮廓曲线，并根据超声信号的幅值标记熔池内部气泡，实现焊接过程中高温液态熔池内部轮廓和熔池内本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：采集光斑的超声信号时，通过同步控制器按一定频率控制脉冲激光器和数据采集卡，保证超声信号的激发和检测同步。
3.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：计算相关传播时间的方式为，获取熔池中超声速度、母材中超声速度、隔热楔块中超声速度、母材厚度、隔热楔块厚度和首峰到达时间，建立由以下多个方程组成的方程组并求解获得，
4.根据权利要求3所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：熔池边界的轮廓点的计算方式为，
5.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：相关介质内超声速度的获取方式为，结合熔池温度测量结果和专家系统中母材、熔池和隔热楔块的温度仿真系统建立的焊接参数库，依据其中材料温度阶梯，建立熔池及母材和隔热楔块中的阶梯化声速根据传播路径，通过公式计算出传播路径的对应介质内的平均声速，即为该传播路径的相关介质内超声速度。
6.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：扫描光斑时，所有光斑列均匀分布，所有行数均匀分布，列距离和行距离均大于激光光斑直径，调整列距离、行距离和光斑大小，进而调整检测熔池内部轮廓的横向分辨率，光斑扫描面覆盖高温液态熔池表面，避开匙孔入口区域。
7.权利要求1-6任一项所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法的装置，其特征在于：包括用于放置母材的隔热楔块、脉冲激光器、数据采集卡和控制单元；
8.根据权利要求7所述的一种焊接熔池内部轮廓检测装置，其特征在于：还包括光路系统、二维振镜、耐高温超声耦合剂、压电传感器、数据采集卡、高速相机和红外测温系统，脉冲激光器用于通过光路系统将激光整形传递至二维振镜，二维振镜用于对熔池进行激光的二维扫描，压电传感器通过耐高温超声耦合剂紧密连接在隔热楔块下表面，检测激光照射在熔池表面基于光声效应产生超声信号，熔池中超声信号通过耐高温超声耦合剂传递到隔热楔块中，然后通过隔热楔块下表面的超声耦合剂传递到压电传感器，数据采集卡同步采集压电传感器检测到的超声信号，并传递到控制单元进行数据分析，高速相机用于识别熔池表面和匙孔入口的分布区域，红外测温系统用于测量熔池表面温度并发送到控制单元以建立熔池及母材和隔热楔块中的阶梯化声速。
9.一种焊接装置，其特征在于：包括焊接单元和权利要求7或8所述的焊接熔池内部轮廓检测装置，控制单元包括上位机、运动控制模块和同步控制器，上位机用于对焊接单元和熔池内部轮廓检测装置进行编程和参数调制，并进行检测信号的分析处理，运动控制模块用于控制三维运动平台根据设定程序进行三维移动，同时控制二维振镜根据设定程序进行脉冲激光二维扫描，同步控制器用于给焊接单元和熔池内部轮廓检测装置的触发和结束提供唯一时序，保证超声信号的激发和检测同步。
10.一种焊接方法，其特征在于：采用权利要求9所述的一种焊接装置，包括以下步骤，
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【技术特征摘要】
1.一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：采集光斑的超声信号时，通过同步控制器按一定频率控制脉冲激光器和数据采集卡，保证超声信号的激发和检测同步。
3.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：计算相关传播时间的方式为，获取熔池中超声速度、母材中超声速度、隔热楔块中超声速度、母材厚度、隔热楔块厚度和首峰到达时间，建立由以下多个方程组成的方程组并求解获得，
4.根据权利要求3所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：熔池边界的轮廓点的计算方式为，
5.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：相关介质内超声速度的获取方式为，结合熔池温度测量结果和专家系统中母材、熔池和隔热楔块的温度仿真系统建立的焊接参数库，依据其中材料温度阶梯，建立熔池及母材和隔热楔块中的阶梯化声速根据传播路径，通过公式计算出传播路径的对应介质内的平均声速，即为该传播路径的相关介质内超声速度。
6.根据权利要求1所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法，其特征在于：扫描光斑时，所有光斑列均匀分布，所有行数均匀分布，列距离和行距离均大于激光光斑直径，调整列距离、行距离和光斑大小，进而调整检测熔池内部轮廓的横向分辨率，光斑扫描面覆盖高温液态熔池表面，避开匙孔入口区域。
7.权利要求1-6任一项所述的一种焊接熔池内部轮廓检测方法的...
【专利技术属性】
技术研发人员：石永华，潘正，马强，陈剑明，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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