[发明专利]一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法

说明书

一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，通过高速摄像系统对双激光束双侧同步焊接填丝过程中熔滴的过渡模式和频率进行实时监控，以达到全程监控不同送丝速度下双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡的目的。本发明主要包括双激光束双侧同步焊接填丝系统、高速摄像采集处理系统、全数字化送丝控制系统和图像处理系统四部分，其特征在于，本发明通过两台高速摄像机对桁条两侧的熔滴过渡同时进行监测，利用数字图像处理软件对采集的图像进行快速处理，达到定量计算熔滴过渡频率。本发明能够实现实时监控熔滴过渡模式和过渡频率，进而提高激光焊的焊缝质量。

技术领域

本发明涉及一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，属于激光焊接质量监控技术领域。

背景技术

在航空航天、机械制造等领域，激光焊接铝合金以其能量密度高、焊接变形小、加工柔性小等优点得到了越来越广泛的应用。尤其在航空航天领域，对于飞机机身筒段中最为常见的蒙皮-桁条结构，采用双激光束双侧同步焊接技术不仅可以实现T型结构焊接接头的高效连接，而且相比于铆接大大减轻了机身的重量。目前已有多种机型如A318、A380等成功应用铝合金激光焊接蒙皮-桁条T型接头，使飞机的重量大大减轻同时使飞机机身的完整性得到了保留。

飞机机身焊缝密集、结构复杂、精密度要求极高，需要对双激光束双侧同步填丝焊接T型接头进行大量研究以保证焊接结构的精密度和焊缝质量。填丝激光焊能够向熔池中添加有益元素，通过调整焊缝成分改善焊接接头的焊接性、抑制焊接时气孔、裂纹的产生。然而激光焊接过程中熔滴的过渡行为存在周期性和不稳定性，不利于激光能量过渡到焊缝熔池中。双激光束双侧同步焊接过程中主要存在三种典型熔滴过渡方式：大滴过渡、铺展过渡和液桥过渡。大滴过渡由于熔滴大且形成时间长，容易造成焊缝成形粗糙，飞溅严重等现象；铺展过渡由于焊丝的熔化与进给存在周期性，使焊缝成形不均匀，且接头容易出现咬边等缺陷；液桥过渡形式下熔滴以稳定的液桥形式过渡到熔池中，焊丝熔化充分，降低了焊丝的波动对焊接过程的影响，焊缝成形良好。因此精确监测双激光束双侧同步焊接过程的熔滴过渡形式对焊缝的质量的提升具有重要意义。

发明内容

为了更好地监控不同送丝参数下机身蒙皮-桁条T型接头双激光束双侧同步填丝焊中的熔滴过渡形式并保证焊接过程中稳定送丝以提高焊接接头质量，本发明提出一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法，该方法能够借助高速摄像技术对双激光束双侧同步填丝焊过程中的填充焊丝受热、熔化、过渡等动态行为进行观察，快速传送到计算机图像处理系统中并迅速对熔滴的速度和形状做出分析，以此分析熔滴的过渡形式及特点，提高焊接热源的利用率、增强焊接过渡稳定性从而提高焊缝质量。

为了实现对双激光束双侧同步填丝焊接过程中填充材料的过渡形式进行监控，本发明的装置由四部分组成：双激光束双侧同步焊接填丝系统装置、高速摄像采集处理系统装置、全数字化送丝控制系统与图像处理系统装置。其中，焊接部分由德国IGP Photonics公司的YLS-10000光纤激光器，焦距300mm的激光双光束焊接头，配合KUKA六轴机器人，填丝采用LINCOLN公司V350型送丝机填充焊丝；高速摄像采集部分由两套PHOTRON Fastcam1024R2型高速摄像机、镜头、虑光系统和计算机系统组成，其中高速摄像机的采样频率为2000Hz，分辨率为256*256。

为了通过计算机系统对熔滴过渡时的行为特征进行观察、分析和监控，拟采用数字图像处理技术得到熔滴的过渡形状、速度和过渡方式，并通过计算机系统对整个焊接过程进行实时监控和检测。

由于熔滴的过渡方式主要受到焊丝的熔化速度影响，因此为了控制焊丝熔化速度，本发明在保证其他焊接参数不变的情况下，改变送丝速度，从而改变激光焊过程中熔滴的过渡模式及频率。

高速摄像机在正弦波发生器的激励下对双激光束双侧同步填丝焊接过程采样成像，并实时传输到计算机图像处理系统中进行数字图像处理。

同时为了使熔滴过渡的图片更加清晰，使用滤光系统去除激光对高速摄像照片的影响。