激光焊接技术的应用

激光焊接技术的应用

0焊接技术的特点由于其低变形、高质量、高精度、高效率、高效率、灵活性和自动化程度的特点，激光焊接是21世纪最受关注、最具前景的焊接技术。1激光焊接的概论1.1激光焊接操作原理激光焊接是利用受激辐射的原子原理,使用能量密度达101.2焊缝的深熔焊过程大功率激光焊接时,根据焊接过程中是否产生匙孔可分为热传导焊和深熔焊两种模式,如图1所示(1)热传导焊:激光辐射加热材料表面至熔点与沸点之间,使材料表面温度逐渐升高并熔化,再将热量通过热传导向材料内部扩散,使工件内部熔化,形成熔池,熔化的金属最后冷却结晶形成焊缝(2)深熔焊:激光辐射迅速加热材料表面至沸点,材料迅速熔化并气化,金属蒸汽离开熔池,熔池向下凹陷,经过反复作用形成匙孔。匙孔内充满高温蒸汽和等离子体,匙孔四周包围着熔融材料。匙孔内蒸汽支撑着四周的液态熔融材料,最后匙孔外液体流动和匙孔内壁表面张力以及匙孔内腔中连续产生的蒸汽压力达到动态平衡。随着激光束的不断移动,匙孔始终处于动态稳定,也就是说,匙孔和围着孔壁的熔融金属随着激光束前进而向前移动,熔融金属不断地填充着匙孔,最后熔融材料冷却,焊缝形成2实时焊缝跟踪在实际生产过程中,通常都需要较大的焊接功率和较高的焊接速度,但是深熔焊过程中匙孔和熔池不稳定会导致焊接缺陷和焊缝偏离,为了保证焊接质量就必须实现实时焊缝跟踪2.1结构光图像检测原理结构光视觉传感技术焊缝跟踪成像原理如图2所示。激光二极管发出一可见光谱段的激光束透过一圆柱透镜后,转变成条形结构光投射到具有不同接头的待焊工件焊缝上,条形结构光因焊缝具有不同的接头或形变而产生变形,并被CCD摄像机摄取漫反射回来变形后的条形结构光信号,最后将采集到的信号通过三角形测量原理、图像处理技术以及模式识别技术完成焊缝位置提取以测量V形焊缝宽度为例,采用主动式机器视觉检测法,可获得如图3a所示的结构光图像,在摄像头前加窄带滤光片,提取结构光图像,对提取的图像进行线性平滑滤波、二值转换、边缘提取,这样便完成了图像预处理过程,其结果如图3b所示。其中,点L与点R之间的纵坐标差值为焊缝宽度,因此点L与点R便成为图像识别对象。对这两点的识别,分别采用逐点扫描法、截距法和斜率法进行宽度识别。实验结果表明在线性平滑滤波取9×9,图像二值转化取0.45,边缘检测用Canny算法,宽度识别用斜率法(见图3c)时焊缝识别算法效果最好2.2平板对接焊的工作原理红外检测是利用任何温度高于绝对零度的物体都是红外辐射源的原理,当改变了物体的结构或者物体内部存在缺陷时,物体的热传导率也会变化,导致物体表面温度的变化。热辐射和温度的变化存在于整个焊接过程中,并包含着焊接质量信息,因此焊接熔池及周围会形成一定的温度场并伴随红外辐射,熔池周围产生的温度场和红外辐射通常是对称均匀分布,一旦焊缝偏离,温度场也随之变化,通过使用红外摄像机直接拍摄熔池获取红外热像,并定量分析采集到的兴趣区域红外热像,可以获得焊头偏离焊缝的量化信息两块焊缝间隙小于0.1mm的304不锈钢板(150mm×100mm×10mm),在激光功率为10kW、激光束直径为200μm、焊接速度为2.5m/min、摄像机采集速度为1000f/s的条件下,采用激光束路径斜跨焊缝的方式(激光束先左偏离焊缝中心1mm,到与焊缝对中,再到右偏离焊缝中心1mm)进行平板对接焊,匙孔的图像处理过程如图4所示,其形变参数(匙孔最下端位置处的列坐标K2.3熔池、合作孔的图像同轴视觉检测是基于激光发射器的独特结构,设计出来的一种监视器与激光发射器同轴的检测方法,从而达到同轴视觉检测的目的待焊工件是焊缝间隙为0.2mm的镀锌钢板(厚1.2mm),在激光功率小于4kW、激光束直径为0.4mm条件下,通过同轴测量获得熔池和匙孔信息,对获得的图片进行区域增长算法和Canny算法,最后获得灰度图和具有光滑边界的匙孔和熔池截面图。焊缝的宽度可以根据匙孔的灰度分布获得,并且可以根据匙孔的灰度图和熔池的深度来判断不同的焊接状态。图8为匙孔的图像处理过程,图9为匙孔的特征参数,其中L为熔池宽度,D为匙孔顶部直径,d为匙孔底部直径。通过测量L可以得到实际的焊缝宽度,通过测量d/D的比例可以得出熔融的状态,实验结果表明,当测量的焊缝宽度L和焊缝实际的宽度之差ΔL与实际焊缝平均宽度L2.4磁光传感检测微间隙焊缝的测量精度磁光成像是利用磁感应原理及法拉第礠光旋转效应构成磁光传感器以实时获取目标图像的技术式中B为外加磁场磁感应强度;L为介质中的光程;V为费尔德(Verdet)常数。磁光传感器原理如图11所示,单色高功率发光二极管(LED)发出的光经起偏器作用变为线偏振光,线偏振光会通过磁光介质后被光反射面反射回来。由于光反射面下方焊缝处的垂直磁场分量发生变化,在磁光效应下使线偏振光的偏振方向发生一定角度的偏转,包含了焊缝信息的线偏振光经检偏振器检偏后被CMOS成像装置接收,形成焊缝磁光图像尺寸100mm×79mm×1.84mm、缝隙0~0.1mm的焊件实物及焊缝带磁时的磁光图像如图12所示。焊件在采样速度为25幅/s、分辨率为2592像素×1944像素、焊接速度24cm/min的条件下进行焊接,获得的磁光图像经中值滤波、灰度变换、分割、二值化及形态学处理,提取焊缝磁光图像的过渡带作为焊缝位置特征。由此得出焊缝的实际位置和测量位置以及测量误差,结果如图13、图14所示,焊缝测量误差值如表2所示。由图13可知,焊缝实际值和测量值基本重合,说明磁光检测对于微间隙焊缝有良好的跟踪性能。由图14和表2可知,系统的测量误差最小值接近零,标准误差为0.017mm,平均误差为0.022mm,这说明磁光检测对微间隙焊缝的测量精度较高磁光传感器具有优良的电绝缘性能、抗干扰、频响宽、响应快和安全防爆等特性,因此对一些特殊场合电磁参数的测量有其独特的功效,尤其在电力系统中高压大电流的测量方面更显示其潜在优势,能有效检测低碳钢微间隙对接焊缝(间隙<0.1mm)。磁光检测焊缝时不受焊接速度的影响3微间隙对接焊缝在工业领域的应用国外发达国家对焊缝跟踪与检测技术研究开始较早,发展也比较迅速,深入研究了控制算法和传感器。国内在焊缝跟踪与检测方面起步较晚,但是随着焊接在工业生产中占据着越来越重要的位置,国内也进行了大量研究,并在某些特定的应用中获得了成功。目前国际上对微间隙对接焊缝还不具备可靠的焊缝检测和跟踪方法,在焊接前需要对焊缝表面加工微坡口,或花费相当多的时间用于工件的装配、夹持及精确调整,激