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申请/专利权人：广东工业大学

摘要：本发明公开了基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法和装置，根据焊偏情况下匙孔形态变化对激光焊接过程现象的影响，通过激光头内部光路结构与光电传感检测模块，对焊接区域光辐射采集，并利用数据终端对光电信号进行时频分析处理。借助传感区域调整装置，得到合适传感区域的在线时频分析数据，实现激光焊接焊偏状态识别。与现有技术相比，本发明为无损检测，实现装置与数据处理方法简单，可广泛的应用在连续焊接焊偏状态检测。特别的，可在接合缝隙不明显的对接焊及T型焊进行在线激光焊接焊偏检测。

主权项：1.基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法，其特征在于，按照下列步骤进行：步骤1：在包含同轴光信号解调的激光焊接焊偏检测光路装置的焊接实验装置上，预设存在焊偏情况的激光焊接实验，为传感区域的调整做基础；所述激光焊接焊偏检测光路装置包括：一台光纤激光器（1）；一个与光纤激光器（1）通过光纤连接，并具备外扩光路的激光头（2）；一个传感区域调整装置（3）与激光头（2）的外扩光路连接；一个与传感区域调整装置（3）连接的分光滤光模块（4）；所述的传感区域调整装置（3），内部包括一块安装倾角可调的聚焦镜及一块准直镜，实现把激光头（2）采集到的来自于焊接区域的全部光辐射选区域输出；一个数据采集模块（5）与分光滤光模块（4）的两个光电传感器连接进行数据采集；一个信号时频分析系统（6）与数据采集模块（5）相连，为一台工业控制计算器；所述的激光头（2）内部光路结构中至少包含一块半反射镜，并沿激光输出方向放置在聚焦镜之前，包含一块反射镜放置在外扩光路中，且反射镜的镜片与半反射镜的分光面平行，半反射镜与反射镜放置在垂直于激光束的同一平面上；步骤2：在步骤1的焊接实验过程中，利用激光头（2）进行同轴光辐射信号采集；在焊接过程中，由于激光束与工件的剧烈作用，在工件表面产生剧烈变化的金属蒸汽与等离子体，并有部分激光辐射反射；由于光辐射的强度动态变化能够有效反映匙孔内部三维形态的动态变化，因此利用激光头内部的半反射镜，将采集到的光辐射传递到传感区域调整装置（3）；开始时，传感区域调整装置（3）将传感区域的中心对准焦点位置；经过传感区域调整装置（3）的剩余光辐射进入分光滤光模块（4），被内部的分光镜与滤光镜分解成可见光辐射与激光反射；步骤3：利用分光滤光模块（4）对来自步骤2的光辐射进行分光滤波得到可见光辐射与激光反射；步骤4：利用光电传感器对来自步骤3的两种光辐射进行光电转换；步骤5：利用数据采集模块（5）对来自步骤4的两通道模拟信号放大、采样，并传输到作为数据终端的工业控制计算机（6）；步骤6：利用工业控制计算机（6）对来自步骤5的信号进行时频处理；步骤7：对比来自步骤6的时频分析数据，利用传感区域调整装置（3）适当调整传感区域以获得合适传感区域；传感区域调整装置调整光辐射传感区域至传感区域中心偏离激光焦点位置一定距离；当传感区域调整至合适时，信号的中高频分量幅值在激光偏移时明显增大，在激光对中时幅值平稳且极小；中高频为与采样频率对比，其中的中高频频率接近采样频率的一半；步骤8：在步骤7获取的合适传感区域下，通过衡量焊接过程中光电信号的中高频分量的幅值变化，实现激光焊接焊偏情况监测；焊偏情况下，数据中高频分量幅值明显增大；非焊偏情况下，数据中高频分量幅值极小。

全文数据：基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法和装置技术领域本发明涉及基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法和装置，具体地涉及一种借助传感区域调整装置，利用焊接过程同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法和装置。背景技术激光焊接为通过激光束令加工对象融化结合实现所需结合效果的一种焊接方式。焊接加工时，由于装配错误或结合缝隙轨迹复杂原因，入射激光可能偏离焊缝从而影响焊接质量。对此，焊接现场常利用传感器对焊接过程进行焊接路径预测与焊偏状态实时检测，如磁光成像路径预测、机器视觉路径预测与焊偏状态实时检测等。但激光焊接过程中，路径预测不能很好地适用于无法有效观察到焊接路径的场合，如T型焊与接合缝隙极小的情况。这是由于传统的焊接路径预测需要在接合缝隙与激光束的中心轴重合，此时检测的接合轨迹即激光束移动轨迹，如磁光成像路径预测，机器视觉路径预测；当T型焊进行时，接合缝隙与激光束的中心轴不重合，激光束需要熔透其中一块焊板与另一块焊板进行熔合，则不满足传动焊接路径检测条件。在一些精密加工场合，由于对焊缝质量与外观要求较高，对接焊两接合端面被要求精铣，导致接合缝隙极小，甚至人眼无法捕捉。此时通过机器视觉识别出接合缝隙难度很大，而磁光成像检测的精度往往难以满足。另外，机器视觉对焊偏情况的实时监测的实现成本较高，对图像处理能力要求高。发明内容为解决现有技术的不足，本发明从焊偏情况对匙孔三维形态变化物理规律出发，分析匙孔形态变化对激光焊接过程现象的影响，根据激光反射测量法寻找能够表征激光焊接焊偏情况的信号。在此基础上进行多传感激光偏焊试验，分析各种信号在焊偏情况下的信号特征，寻求检测激光焊偏情况的经济实现方式。分析发现，对中焊接情况下，由于激光焦点位置两侧材料对称分布，吸收激光能量后，匙孔壁向两侧材料传递热量也对称，令匙孔左右侧坡度对称，此时同轴激光反射信号平稳；焊偏情况下，激光焦点位置两侧材料不对称，吸收激光能量后，匙孔壁向两侧材料传递热量不对称，令匙孔左右侧坡度不对称，导致同轴激光反射信号波动剧烈。当调整传感区域中心偏离焦点位置时，此时激光反射信号波动更为剧烈。据此，本发明提供一种借助传感区域调整装置，利用焊接过程同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法。本发明的技术方案是这样实现的：搭建一个用于同轴光信号解调的激光焊接焊偏检测光路装置，包括：一台光纤激光器；一个光纤激光器连接，并具备外扩光路的激光头；一个焊接实验工件置于激光头下方，进行焊接实验；一个传感区域调整装置与激光头的外扩光路连接；一个与传感区域调整装置连接的分光滤光模块；一个数据采集模块与分光滤光模块的两个光电传感器连接进行数据采集；一个信号时频分析系统与数据采集模块相连，负责数据处理分析及缺陷识别。另外，上述激光头内部光路结构中至少包含一块半反射镜，并沿激光输出方向放置在聚焦镜之前，包含一块反射镜放置在外扩光路中，且反射镜的镜片与半反射镜的分光面平行，半反射镜与反射镜放置在垂直于激光束的同一平面上。上述的传感区域调整装置，内部包括一块安装倾角可调的聚焦镜及一块准直镜，实现把激光头采集到的来自于焊接区域的全部光辐射选区域输出。上述的分光滤光模块包括一片二向色镜、两片滤光镜及两个光电传感器。上述的数据采集模块包括集成运放器、带通滤波器、通信芯片、存储芯片及AD转换模块、信号发射器及电信号输出端子。本发明的实施步骤如下：步骤1：在包含同轴光信号解调的激光焊接焊偏检测光路装置的焊接实验装置上，预设存在焊偏情况的激光焊接实验。为传感区域的调整做基础；步骤2：在步骤1的焊接实验过程中，利用激光头进行同轴光辐射信号采集。在焊接过程中，由于激光束与工件的剧烈作用，在工件表面产生剧烈变化的金属蒸汽与等离子体，并有部分激光辐射反射。由于光辐射的强度动态变化能够有效反映匙孔内部三维形态的动态变化，因此利用激光头内部的半反射镜，将采集到的光辐射传递到传感区域调整装置。优选地，传感区域调整装置附加在激光头的外侧，减少光路传输对光辐射强度波动的影响；步骤3：利用分光滤波设备对来自步骤2的光辐射进行分光滤波。传感区域调整装置将全部或部分采集的光辐射经过分光镜与滤光片进行分光滤波，分解成可见光辐射与激光反射。步骤4：利用光电传感器对来自步骤3的两种光辐射进行光电转换。在可见光辐射与激光反射输出端设置光电传感器，将光辐射信号转换成电信号。步骤5：利用数据采集模块对来自步骤4的两通道模拟信号放大、采样，并传输到数据终端。在光电传感器输出端接入数据采集模块，将微弱的电信号放大，并以一定的采样频率进行在线数据采集并发送到数据终端，获得对应的可见光辐射信号与激光反射信号。其中，可见光信号强度变化反映激光焊接所产生的上方金属蒸汽体量变化；激光反射信号强度变化反映来自匙孔内部不同位置的激光反射强度，从而集中反映匙孔内部三维形态的变化。步骤6：对来自步骤5的信号进行时频处理。在数据终端对采集到的可见光辐射信号与激光反射信号借助软件或其他手段进行时频分析处理，获取短时的信号波动的谐波成分。通过观察信号波动的谐波组成情况，识别上方金属蒸汽体量变化与匙孔内部三维形态变化情况。步骤7：对比来自步骤6的时频分析数据，利用传感区域调整装置适当调整传感区域以获得合适传感区域。通过传感区域调整装置调整光辐射传感区域，令传感区域中心偏离激光焦点位置一定距离。同步观察工件焊接情况与所采集信号的时频分析数据，当激光偏移时信号的高频分量幅值明显增大，而激光对中时中高频分量幅值极小，固定传感区域调整装置的相对调整位置，保持传感区域不变。所述的中高频与采样频率对比，优选地，高频频率接近采样频率的一半。所述的传感区域调整装置，优选地，为能改变光电传感器检测区域投影到工件上调整装置。步骤8：在步骤7获取的的合适传感区域下，通过衡量焊接过程中光电信号的中高频分量的幅值变化，实现激光焊接焊偏情况检测。焊偏情况下，数据高频分量幅值明显增大；非焊偏情况下，数据高频分量幅值极小。实施本发明的有益效果主要有：1、本发明可在接合缝隙不明显的对接焊及T型焊进行在线激光焊接焊偏检测。这是由于本发明从原理上利用间接检测匙孔向两侧金属热传递对称情况识别焊偏，不需借助接合位置的检测。在接合缝隙不明显的对接焊中，接合缝隙内部依然存在空气，焊偏情况下对热传递的对称性影响明显，从而能被有效识别出来；在T型焊中，焊偏情况下，焦点位置与立板壁厚方向两侧距离不等同样对热传递的对称性影响明显，从而能被有效识别；2、本发明为无损检测，对焊接过程没有干扰，可广泛的应用在连续焊接焊偏状态检测；3、本发明的实现装置与数据处理方法简单。相比于传统的视觉焊缝检测，不需借助图像识别技术，降低了对专用检测设备与图像识别能力的依赖，从而降低了焊偏情况检测的难度与成本。附图说明图1为本发明的实现过程流程图；图2为本发明的其中一个实施例的硬件系统图，该实例接头方式为对接焊；图中，1-激光器、2-激光头、21-焊区光辐射、22-激光、3-传感区域调整装置、31-传感区域、4-分光滤波模块、5-数据采集模块、6-信号时频分析系统、7-工件、局部视图A；图3为图2中的局部视图A，其中71-焊接方向、72-熔池、73-匙孔与焦点位置；图4为本发明的一焊偏检测数据实例，其中传感区域中心相对激光焦点和焊接方向偏右，颜色深的区域为幅值大的谐波分量。具体实施方式下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供一种借助传感区域调整装置，利用焊接过程同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法。本发明的实现过程流程图如图1所示。本发明的实施例硬件系统如图2、图3所示，包括：一台光纤激光器1；一个与光纤激光器1连接，并具备外扩光路的激光头2；一个焊接实验工件7置于激光头2下方，进行焊接实验；一个传感区域调整装置3与激光头2的外扩光路连接，内含可调整倾角的聚焦镜与准直镜，将来自激光头外扩光路的光部分采集并输出；一个与传感区域调整装置连接的分光滤光模块4，内含两个光电传感器与二向色镜，将来自传感区域调整装置调制的光按波长分光并光电转换；一个数据采集模块5与分光滤光模块的两个光电传感器连接进行数据采集；一个信号时频分析系统6与数据采集模块相连，负责数据处理分析及缺陷识别。另外，上述激光头2内部光路结构中至少包含一块半反射镜，并沿激光输出方向放置在聚焦镜之前，包含一块反射镜放置在外扩光路中，且反射镜的镜片与半反射镜的分光面平行，半反射镜与反射镜放置在垂直于激光束的同一平面上。其中传感区域调整装置3，内部包括一块安装倾角可调的聚焦镜及一块准直镜，实现把激光头2采集到的来自于焊接区域的全部光辐射选区域输出；分光滤光模块4包括一片二向色镜、两片滤光镜及两个光电传感器；数据采集模块5包括集成运放器、带通滤波器、通信芯片、存储芯片及AD转换模块、信号发射器及电信号输出端子。本实例的焊偏检测实验中，工件7为对接焊。预设的焊接方向71与工件7的结合缝隙交错，以便焊偏情况与非焊偏情况能够在同一个焊缝中实现，同时方便进行数据比对。焊接进行时，激光22与工件7作用，在工件上产生匙孔73与熔池72。此时焦点位置在匙孔内部。同时，焊接产生的金属蒸汽所辐射的可见光与来自匙孔的激光反射组合的光辐射21会部分传入激光头2内，经过激光头内部的半反射镜传输到传感区域调整装置3。优选地，实验开始时传感区域调整装置3将传感区域31的中心对准焦点位置。经过传感区域调整装置3的剩余光辐射进入分光滤光模块4，被内部的分光镜与滤光镜分解成可见光辐射与激光反射。本实例中，分光镜选用1050nm的二向色镜进行分光，与滤光片组合滤出1080nm的激光反射与400-700的可见光辐射。这两种辐射分别被光电传感器进行光电转化获得可见光信号与激光反射信号。上述两模拟信号传入数据采集模块5中进行放大与采样，并传入信号时频分析系统6。本实施例的采样频率为5000fps。本信号时频分析系统6为台式计算机。本实例中，通过计算机中的检测分析软件对在线获得的可见光信号与激光反射信号进行时频分析。此时对比工件7上的焊接情况，调整传感区域调整装置3，令传感区域31的中心对准焦点位置偏离焦点位置，使得计算机显示的时频分析数据特征为：激光偏移产生时，信号的高频分量幅值明显增大；激光对中时，中高频分量幅值极小。当改数据特征稳定时，固定传感区域调整装置的相对调整位置，保持传感区域不变。本实例的中高频所指范围为1500-2500。图4为该实例下的焊缝与激光反射信号及其时频分析数据。可以观察到当焊接处于焊偏状态，时频分析数据图上的高频分量幅值明显增大，当焊接处于对中状态是，时频分析数据图上的高频分量幅值小且平稳。证实该方法能有效识别激光焊接焊偏状态。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

权利要求：1.基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法，其特征在于，按照下列步骤进行：步骤1：在包含同轴光信号解调的激光焊接焊偏检测光路装置的焊接实验装置上，预设存在焊偏情况的激光焊接实验，为传感区域的调整做基础；步骤2：在步骤1的焊接实验过程中，利用激光头1进行同轴光辐射信号采集；在焊接过程中，由于激光束与工件的剧烈作用，在工件表面产生剧烈变化的金属蒸汽与等离子体，并有部分激光辐射反射；由于光辐射的强度动态变化能够有效反映匙孔内部三维形态的动态变化，因此利用激光头内部的半反射镜，将采集到的光辐射传递到传感区域调整装置3；步骤3：利用分光滤波模块4对来自步骤2的光辐射进行分光滤波得到可见光辐射与激光反射；步骤4：利用光电传感器对来自步骤3的两种光辐射进行光电转换；步骤5：利用数据采集模块5对来自步骤4的两通道模拟信号放大、采样，并传输到作为数据终端的工业控制计算机6；步骤6：利用工业控制计算机6对来自步骤5的信号进行时频处理；步骤7：对比来自步骤6的时频分析数据，利用传感区域调整装置3适当调整传感区域以获得合适传感区域；步骤8：在步骤7获取的的合适传感区域下，通过衡量焊接过程中光电信号的中高频分量的幅值变化，实现激光焊接焊偏情况监测；焊偏情况下，数据高频分量幅值明显增大；非焊偏情况下，数据高频分量幅值极小。2.根据权利要求1所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法，其特征在于，在所属的步骤7中，传感区域调整装置调整光辐射传感区域至传感区域中心偏离激光焦点位置一定距离。3.根据权利要求1所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法，其特征在于，在所属的步骤7中，当传感区域调整至合适时，信号的中高频分量幅值在激光偏移时明显增大，在激光对中时幅值平稳且极小。4.根据权利要求1所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法，其特征在于，在述的步骤7中，中高频为与采样频率对比，其中高频频率接近采样频率的一半。5.根据权利要求1-4任一所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法的装置，其特征在于，包括：一台光纤激光器1；一个与光纤激光器1通过光纤连接，并具备外扩光路的激光头2；一个传感区域调整装置3与激光头2的外扩光路连接；一个与传感区域调整装置3连接的分光滤光模块4；一个数据采集模块5与分光滤光模块4的两个光电传感器连接进行数据采集；一个信号时频分析系统6与数据采集模块5相连，为一台工业控制计算器。6.根据权利要求5中所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法的装置，其特征在于，所述的激光头2内部光路结构中至少包含一块半反射镜，并沿激光输出方向放置在聚焦镜之前，包含一块反射镜放置在外扩光路中，且反射镜的镜片与半反射镜的分光面平行，半反射镜与反射镜放置在垂直于激光束的同一平面上。7.根据权利要求5中所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法的装置，其特征在于，所述的传感区域调整装置3，内部包括一块安装倾角可调的聚焦镜及一块准直镜，实现把激光头2采集到的来自于焊接区域的全部光辐射选区域输出。8.根据权利要求5中所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法的装置，其特征在于，所述的分光滤光模块4包括一片二向色镜、两片滤光镜及两个光电传感器。9.根据权利要求5中所述的基于同轴光辐射信号解调的激光焊接焊偏检测方法的装置，其特征在于，所述的数据采集模块5包括集成运放器、带通滤波器、通信芯片、存储芯片及AD转换模块、信号发射器及电信号输出端子。

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