一種適用於雷射填絲焊接的監控系統的製作方法

2023-05-30 09:54:41 1

本發明屬於電磁超聲技術相關領域，更具體地，涉及一種適用於雷射填絲焊接的監控系統。

背景技術：

雷射填絲焊接是指在雷射照射的同時填入焊接材料以形成焊接接頭的方法，雷射填絲焊接與非填絲焊接相比，具有如下優點：1、解決了對工件加工裝配要求嚴格的問題；2、實現了小功率焊接較厚較大零件；3、通過調節焊絲成分，可控制焊縫區域組織性能。然而，雷射填絲焊接過程中送絲的穩定性和準確性無法保證，導致無法形成良好的焊縫組織。

為了確認在焊接過程中送絲機構的穩定性，需要對焊接中焊絲與熔池的位置關係進行監控，而熔滴過渡狀態恰好能夠反映出焊絲與熔池的位置關係，因為對熔滴過渡狀態進行監控也是可以的。現有的用於焊接工藝的監控方法，一般都是使用固定式的一臺高速攝像儀器監控或者多臺高速攝像儀器在外圍配合完成監控任務。由於攝像頭固定外圍而焊絲裝置在移動且無其他類型監控儀器配合，高速攝像實時監控的精度較低。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種適用於雷射填絲焊接的監控系統，其基於雷射填絲焊接及電磁超聲技術的特點，針對監控系統的部件及部件聯接關係進行了設計。所述監控系統採用電磁超聲及攝像以共同實時監控雷射填絲焊接的熔滴過渡狀態的系統，提高了監控精度。此外，所述監控系統通過伸縮式支架、支架及旋轉支架使攝像頭與焊絲保持相對靜止，保證了獲取的圖像信息的清晰度及準確性，且保證了超聲信號能被有效的接收。

為實現上述目的，本發明提供了一種適用於雷射填絲焊接的監控系統，其包括連接於雷射發射機構的伸縮式支架、支架、旋轉支架、電磁超聲發射探頭及電磁超聲接收探頭，其特徵在於：

所述支架的兩端分別連接於所述伸縮式支架及所述電磁超聲發射探頭，所述電磁超聲發射探頭連接於送絲管；所述旋轉支架的一端轉動的連接於所述支架，另一端連接於所述微型攝像頭，所述旋轉支架通過相對於所述支架的轉動來帶動所述微型攝像頭轉動；所述電磁超聲接收探頭設置在工件上，其與所述電磁超聲發射探頭相配合。

進一步的，所述送絲管內的焊絲穿過所述電磁超聲發射探頭；焊接過程中，所述微型攝像頭與所述電磁超聲發射探頭保持相對靜止。

進一步的，所述監控系統還包括接收探頭安置平臺，所述接收探頭安置平臺包括主平臺及滑動的連接於所述主平臺的探頭架，所述探頭架連接於所述電磁超聲接收探頭。

進一步的，所述主平臺包括導軌、頂板及四個升降腳，所述頂板呈矩形，四個所述升降腳分別連接於所述頂板的四個角部；所述頂板的四側朝向所述升降腳的表面分別開設有凹槽，兩個所述導軌分別設置在一個所述凹槽相對的兩個槽壁上，所述導軌用於為所述探頭架的移動提供導向。

進一步的，所述探頭架包括塑料滑板、升降杆、彈性架及螺釘，所述塑料滑板的兩端分別滑動的收容在對應的兩個所述導軌內，且能夠沿所述導軌滑動以改變所述電磁超聲接收探頭的位置；所述彈性架連接所述塑料滑板及所述升降杆，所述螺釘連接所述升降杆及所述電磁超聲接收探頭。

進一步的，所述電磁超聲發射探頭包括第一探頭外殼、收容於所述第一探頭外殼內的骨架、漆包線線圈及方形帶孔磁鐵，所述漆包線線圈繞在所述骨架上，所述骨架穿過所述方形帶孔磁鐵。

進一步的，所述骨架的外周上開設有多個間隔設置的溝槽，所述溝槽用於收容所述漆包線線圈。

進一步的，所述電磁超聲接收探頭包括第二探頭外殼、收容在所述第二探頭外殼內的多層跑道型線圈、馬蹄形電磁鐵及紅外感應單元，所述紅外感應單元電性連接於所述多層跑道型線圈，所述馬蹄形電磁鐵粘貼在所述多層跑道型線圈上。

進一步的，所述監控系統還包括信號發生器、供電電源、數據採集器、視頻採集器及計算機，所述信號發生器電性連接所述電磁超聲發射探頭及所述供電電源；所述視頻採集器電性連接所述微型攝像頭及所述計算機；所述數據採集器電性連接所述電磁超聲接收探頭及所述計算機；所述計算機電性連接所述供電電源。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發明提供的適用於雷射填絲焊接的監控系統，其採用電磁超聲及攝像以共同實時監控雷射填絲焊接的熔滴過渡狀態的系統，提高了監控精度。此外，所述監控系統通過伸縮式支架、支架及旋轉支架使攝像頭與焊絲保持相對靜止，保證了獲取的圖像信息的清晰度及準確性，且保證了超聲信號能被有效的接收。

附圖說明

圖1是本發明較佳實施方式提供的適用於雷射填絲焊接的監控系統處於使用狀態的局部示意圖。

圖2是圖1中的監控系統的結構框圖。

圖3是圖1中的監控系統的電磁超聲發射探頭的結構示意圖。

圖4是圖3中的電磁超聲發射探頭的骨架及漆包線線圈的結構示意圖。

圖5是圖3中的電磁超聲發射探頭的方形帶孔磁鐵的平面示意圖。

圖6是圖3中的電磁超聲發射探頭的方形帶孔磁鐵的立體示意圖。

圖7是圖1中的電磁超聲接收探頭的俯視圖。

圖8是圖7中的電磁超聲接收探頭的主視圖。

圖9是圖7中的電磁超聲接收探頭的左視圖。

圖10是圖7中的電磁超聲接收探頭的多層跑道型線圈的結構示意圖。

圖11是圖1中的監控系統的接收探頭安置平臺的結構示意圖。

圖12中的(a)及(b)分別是圖11中的接收探頭安置平臺沿A1-A1、A2-A2

方向的斷面圖。

圖13是11中的接收探頭安置平臺的探頭架的結構示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-伸縮式支架，2-支架，3-接收探頭安置平臺，301-主平臺，3011-導軌，3012-頂板，3013-升降腳，302-探頭架，3021-塑料滑板，3022-升降杆，3023彈性架，3024-螺釘，4-旋轉支架，5-電磁超聲發射探頭，501-第一探頭外殼，502-骨架，503-漆包線線圈，504-方形帶孔磁鐵，6-電磁超聲接收探頭，601-第二探頭外殼，602-多層跑道型線圈，603-馬蹄形電磁鐵，604-紅外感應單元，7-微型攝像頭，8-信號發生器，9-供電電源，10-數據採集器，11-視頻採集器，12-計算機，13-紅外控制器。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

請參閱圖1至圖4，本發明較佳實施方式提供的適用於雷射填絲焊接的監控系統，其用於實時監控雷射填絲焊接的熔滴過渡狀態。所述監控系統是基於電磁超聲技術及高速攝像技術以共同監控雷射填絲焊接的熔滴過渡狀態的系統，提高了監控精度。此外，所述監控系統通過機械結構使攝像頭與焊絲保持相對靜止，也保證了超聲信號能被有效的接收。

所述監控系統包括伸縮式支架1、支架2、接收探頭安置平臺3、旋轉支架4、電磁超聲發射探頭5、電磁超聲接收探頭6、微型攝像頭7、信號發生器8、供電電源9、數據採集器10、視頻採集器11、計算機12及紅外控制器13。

所述伸縮式支架1的一端連接於雷射發射機構，另一端連接於所述支架2。本實施方式中，所述伸縮式支架1是由耐高溫合金材料製成的；所述伸縮式支架1通過滑動以進行軸向伸縮，其由兩段合金管組成，兩段所述合金管滑動連接。

所述支架2連接所述伸縮式支架1及所述電磁超聲發射探頭5，所述電磁超聲發射探頭5連接所述支架2及送絲管。本實施方式中，所述支架2是由耐高溫材料製成的。

所述旋轉支架4的一端轉動的連接於所述支架2上，另一端連接於所述微型攝像頭7。所述旋轉支架4通過轉動可以改變所述微型攝像頭7的拍攝角度。所述微型攝像頭7與所述送絲管的焊絲保持相對靜止，兩者之間保持預定距離。本實施方式中，所述旋轉支架4是由耐高溫材料製成的；所述微型攝像頭7能夠以每秒2000幀的速度採集光學圖像信號並將採集到的光學圖像信號轉變成電信號，以便後續信號處理。

請參閱圖5及圖6，所述電磁超聲發射探頭5電性連接於所述信號發生器8，其可以在與所述焊絲不接觸的情況下，將高頻脈衝電信號轉換成超聲信號。所述電磁超聲發射探頭5包括第一探頭外殼501、骨架502、漆包線線圈503及方形帶孔磁鐵504，所述骨架502、所述漆包線線圈503及所述方形帶孔磁鐵504均收容於所述第一探頭外殼501內。

所述第一探頭外殼501基本呈圓柱狀，其開設有收容腔，所述收容腔用於收容所述骨架502、所述漆包線線圈503及所述方形帶孔磁鐵504。本實施方式中，所述第一探頭外殼501是由非導磁材料製成的。

所述骨架502開設有穿透式圓孔，所述圓孔用於供所述焊絲穿過。所述骨架502的外周上開設有多個間隔設置的溝槽，所述溝槽用於收容所述漆包線線圈503。

所述方形帶孔磁鐵504軸向充磁，其孔徑等於或者大於所述骨架502的外徑，高度等於所述溝槽沿所述骨架502長度方向的高度與相鄰的所述溝槽之間的間隔距離之和。本實施方式中，所述方形帶孔磁鐵504是由汝鐵硼材料製成的，其數量為多個，多個所述方形帶孔磁鐵504沿所述第一探頭外殼501的長度方向依次貼附設置，所述骨架502穿過多個所述方形帶孔磁鐵504。所述漆包線線圈503繞在所述骨架502上，其是由耐高溫材料製成的；且所述漆包線線圈503收容在所述方形帶孔磁鐵504的孔內。

請參閱圖7至圖10，所述電磁超聲接收探頭6連接於所述接收探頭安置平臺3，其包括第二探頭外殼601、多層跑道型線圈602、馬蹄形電磁鐵603及紅外感應單元604，所述多層跑道型線圈602、所述馬蹄形電磁鐵603及所述紅外感應單元604均收容在所述第二探頭外殼601內。所述紅外感應單元604電性連接於所述多層跑道型線圈602，所述馬蹄形電磁鐵603粘貼在所述多層跑道型線圈602上。

所述第二探頭外殼601開設有收容槽，所述收容槽用於收容所述多層跑道型線圈602、所述馬蹄形電磁鐵603及所述紅外感應單元604。所述多層跑道型線圈602設置在所述收容槽的底部。本實施方式中，所述多層跑道型線圈602是由多塊同等大小的曲折型線圈電路板疊加形成的，各個所述線圈電路板並聯，以更好的接收超聲信號；所述馬蹄形電磁鐵603是由多塊小磁鐵組成，通電後多塊小磁鐵產生沿同一方向的水平磁場。

請參閱圖11、圖12(a)、圖12(b)及圖13，所述接收探頭安置平臺3用於支撐所述電磁超聲接收探頭6並可帶動所述電磁超聲接收探頭6移動。所述接收探頭安置平臺3包括主平臺301及滑動的連接於所述主平臺301的探頭架302，所述探頭架302連接於所述電磁超聲接收探頭6，且其可帶動所述電磁超聲接收探頭6同步移動。

所述主平臺301包括導軌3011、頂板3012及四個升降腳3013，所述頂板3012基本呈矩形，四個所述升降腳3013分別連接於所述頂板3012的四個角部。所述頂板3012的四側朝向所述升降腳3013的表面分別開設有凹槽，兩個所述導軌3011分別設置在所述凹槽相對的兩個槽壁上。本實施方式中，所述導軌3011的長度方向與對應的兩個所述升降腳3013的水平連線的方向平行；所述導軌3011用於為所述探頭架302的移動提供導向；所述導軌3011的數量為四個，可以理解，在其他實施方式中，所述導軌3011的數量可以根據實際需要增加或者減少。

所述探頭架302包括塑料滑板3021、升降杆3022、彈性架3023及螺釘3024，所述塑料滑板3021的兩端分別滑動的收容在對應的兩個所述導軌3011內，其能夠沿所述導軌3011滑動以改變所述電磁超聲接收探頭6的位置。所述彈性架3023連接所述塑料滑板3021及所述升降杆3022，所述螺釘3024連接所述升降杆3022及所述電磁超聲接收探頭6。

所述信號發生器8電性連接所述電磁超聲發射探頭5及所述供電電源9。所述視頻採集器11電性連接所述微型攝像頭7及所述計算機12。所述數據採集器10電性連接所述電磁超聲接收探頭6及所述計算機12。所述計算機12電性連接於所述供電電源9，所述供電電源9用於為所述信號發生器8、所述計算機12等提供電能。本實施方式中，所述信號發生器8用於產生激勵所述電磁超聲發射探頭5所需的高頻高壓脈衝信號，所述脈衝信號的頻率為100K～6MHZ，電壓為300V～1000V。

所述監控系統工作時，首先，自所述送絲管出來的焊絲穿過所述骨架502，調控所述接收探頭安置平臺3和所述紅外控制器13，將所述電磁超聲接收探頭6放置在工件的適當位置上。之後，接通所述供電電源9，啟動所述計算機12，所述微型攝影頭7將採集所述焊絲與熔池之間的圖像信息並將所述圖像信息傳輸給所述視頻採集器11，所述視頻採集器11將所述圖像信息轉換成所述計算機12能夠識別的數字圖像信息並將所述數字圖像信息傳送給所述計算機12，所述計算機12對所述數字圖像信息進行分析、處理、顯示；同時，所述信號發生器8將產生一定頻率、一定個數的高頻高壓脈衝交流信號，所述脈衝交流信號流經所述電磁超聲發射探頭5的漆包線線圈503時，將在所述漆包線線圈503的周圍產生交變磁場，所述交變磁場會在所述焊絲中產生渦流，在所述方形帶孔磁鐵504及所述交變磁場的共同作用下，所述渦流受到電磁力，引發所述焊絲表面振動產生超聲波，所述超聲波沿著所述焊絲的長度向超所述熔池傳播，由於在雷射熔絲過程中，所述焊絲頂端的狀態發生變化，在不同的狀態下，所述焊絲與所述工件間的界面將不同，將導致不同的超聲透射信號，不同的超聲透射信號傳播到所述工件上的所述磁超聲接收探頭6附近，在所述馬蹄形電磁鐵603的作用下，會在所述多層跑道型線圈602上產生電脈衝信號，所述電脈衝信號在流經所述數據採集器10時會被轉換成數位訊號，所述計算機12對接收到的所述數位訊號進行分析、處理、顯示。如此，結合圖像信息和超聲信號的顯示結果，便可更精確的分析焊絲與熔池之間的狀態關係，實時監測雷射焊接過程。

本發明提供的適用於雷射填絲焊接的監控系統，其採用電磁超聲及攝像以共同實時監控雷射填絲焊接的熔滴過渡狀態的系統，提高了監控精度。此外，所述監控系統通過伸縮式支架、支架及旋轉支架使攝像頭與焊絲保持相對靜止，保證了獲取的圖像信息的清晰度及準確性，且保證了超聲信號能被有效的接收。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。