[0001]
本发明涉及用激光束加工领域，具体为一种激光点焊焊核几何参数测量装置及其使用方法。
背景技术：
[0002]
评价激光点焊焊接质量时需要对焊缝的熔深（基本金属表面至焊缝熔入深度）、熔宽（熔入基本金属的熔深边缘宽度）、焊高（焊缝上表面至基本金属表面高度）等几何结构参数进行精确测量。在激光点焊焊接过程中，若焊缝熔深不足，焊道窄余高大，容易造成未焊透、夹渣、焊瘤和冷裂纹等问题。而焊缝熔深大，焊道宽余高大，又容易造成烧穿、咬边、夹钨、气孔、热裂纹等缺陷。在这些缺陷的影响下，焊接构件的焊缝会产生应力集中，焊缝截面积减小，承载能力降低，引起裂纹，并且会降低焊缝的疲劳强度，从而引起焊接构件的破裂，最终导致脆断。这些问题给焊接构件的使用带来了极大的安全隐患。因此，焊接构件质量的好与坏不仅在很大程度上影响着其使用安全性，甚至对人身的安全造成很大的隐患，而熔深不足或未焊透是造成焊接结构失效的最危险因素。为了预防由焊接质量问题引起的事故，降低焊接接头失效所造成的经济损失和确保焊接构件的正常运行，对焊缝熔核（简称焊核）几何结构参数的测量就显得极其迫切和重要，具有极大的工程实际意义。
[0003]
对于激光点焊焊核几何结构参数直接测量方法主要有破坏性金相测量法和超声波测量法。金相测量法是在焊缝需要测量的位置，利用线切割等机械手段将工件剖开，经过腐蚀后直接利用游标卡尺测量剖开位置焊核的熔深、焊宽等各种结构参数。这种方法对熔深进行多位置测量的方法虽然能够准确地测量出熔深的尺寸，但是这种方法需要将焊缝剖开以漏出端面，属于破坏性的测量方法，测量完成后工件将失去使用价值。而且，由于需要使用稀硝酸对工件进行清洗，容易腐蚀材料。此外，这种测量方法检测效率极低，若要达到较高的测量精度需要人工反复的对工件进行测量，耗时多，工作强度大。因此，这种方法只能作为一种抽检式的测量方法存在较大的潜在风险，且无法进行批量、无损、高效的检测。
[0004]
超声检测作为五大常规无损检测方法之一，具有检测灵敏度高，缺陷定位准确等特点，最先被引入到激光点焊焊缝几何尺寸的测量中。利用超声波测量焊缝熔深的方法受灵敏度、盲区和分辨力的限制，难以准确提取可代表熔深的反射回波信号。即使能分辨出有效的回波信号，由于其他反射回波的干扰也容易导致测量结果误差过大，甚至出现错误的熔深测量结果。此外，超声方法仅仅能够测量出焊缝的熔深，无法一次性获取焊核的其他几何结构参数，检测效率较低。
技术实现要素：
[0005]
为了克服现有技术的缺陷，提供一种检测无损且效率高的焊缝测量方法，本发明公开了一种激光点焊焊核几何参数测量装置及其使用方法。
[0006]
本发明通过如下技术方案达到发明目的：一种激光点焊焊核几何参数测量装置，包括测磁传感器，其特征是：还包括固定板、轴
承、弹簧、顶针和握把，测磁传感器共有八个，将八个测磁传感器平均分为四组，每组包括两个测磁传感器；固定板共有两块，固定板为弧形，每块固定板同一端面的两侧分别安装一组测磁传感器和一个角度传感器，且每组测磁传感器在固定板端面上分别设于上部和下部，两块固定板设于同一个圆弧上且通过轴承与握把连接，两块固定板在同一平面内自由旋转；弹簧的外端连接顶针，弹簧的内端固定在握把的中部，测量时，通过握把中部的弹簧和顶针可自动调节四组测磁传感器与焊缝的贴合度，从而提高测量的灵敏度。
[0007]
所述的激光点焊焊核几何参数测量装置，其特征是：测磁传感器的精度不低于0.1nt，固定板所对应的圆心角在30
°
～45
°
。
[0008]
所述的激光点焊焊核几何参数测量装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：a. 握住装置中间的握把，将顶针对准并顶住焊缝的中心位置，使两块固定板横跨在焊缝上方；b. 根据焊缝的尺寸大小，调节两块固定板，使固定板上各组测磁传感器都与焊缝表面接触；c. 轻压握把，握把通过弹簧推动顶针，使各组测磁传感器都自动调节至与焊缝紧密贴合；d. 通过四组上、下分布的两个测磁传感器测量焊缝当前位置各点的焊缝深度，分别记为d1，d2，d3和d4，通过角度传感器测量焊缝倾角α；e. 握住握把的上端，沿着焊缝边缘旋转，测量焊缝其他位置的焊缝深度，分别记为d1'、d2'、d3'和d4'，旋转一周后可以得到整个焊缝的焊缝深度集合，将其定义为d'；f. 利用焊缝深度集合d'，用最小二乘法拟合出焊缝熔核的三维立体几何形状，令：拟合的三维立体几何形状曲线为二次函数y=f(x)=ax2+bx+c，令某次测量的焊缝深度d1、d2、d3和d4所对应的坐标分别为d1(x1,y1)、d2(x2,y2)、d3(x3,y3)和d4(x4,y4)，共测量n次，则由最小二乘法可得：次，则由最小二乘法可得：=代入测量点d1、d2、d3和d4的坐标并求解系数a、b和c，即可得到拟合曲线y=f(x)；g. 根据焊核的熔深、熔宽、焊宽等几何参数的定义，建立焊缝深度与几何参数的关系，并计算出这些几何参数：令：h1和h2为熔深，b1和b2为熔宽，d为焊缝高度，定垂直于焊缝表面的方向为y轴方向，取沿焊缝表面垂直于y轴方向为x轴方向，建立直角坐标系，点o为坐标原点，α为角度传感器测得的焊缝倾角，令拟合曲线y=f(x)与x轴的两个交点坐标分别为a(x1,0)和b(x2,0)，在
△
abc中：，在直角坐标系xoy中，直线bc的斜率为tanα，直线de与直线bc平行，斜率也为tanα，由拟合曲线方程y=f(x)和直线de的斜率求出切点坐标d(x,y)，随后，利用点斜法求出直线de的方程为y=f1(x)，求得点b(x2,0)与直线de的距离即为熔深h2；同理，在直角坐标系xoy中，直线ac的斜率为tanβ，直线fg与直线ac平行，斜率也为tanβ，由拟合曲线方程y=f(x)和直线fg的斜率求出切点坐标f(x,y)，随后，利用点斜法求出直线fg的方程为y=f2(x)，求得点a(x1,0)与直线fg的距离即为熔深h1。
[0009]
本发明在测量时，首先利用高精度差分测磁传感起器构成的测量阵列采集焊缝不同位置的微弱磁场信号，以上、下分布的两个差分测磁传感器之间的间距为标尺计算焊缝某个位置的焊缝深度。随后，握住握把将装置旋转一周可测量整个焊缝不同位置的焊缝深度。然后，利用所测得的焊缝深度值拟合出焊核的三维几何形状。接着，依据基本的几何学建立焊缝深度、熔深、焊宽的三角几何关系，并计算焊缝的熔深、焊高和熔宽。
[0010]
本发明创新性地将磁法引入到激光点焊焊核几何参数测量中。为了能适应不同尺寸激光点焊的测量，设计了可自动调节的测磁传感器装置。该装置包括8个高精度测磁传感器、用于安装测磁传感器的半圆形机械机构、弹簧和顶针。为了提高测量效率，在获得焊缝不同位置的焊深后拟合出焊核的三维几何形状。随后，利用几何关系分别计算出焊缝焊核的熔深、熔宽和焊高。此外，该方法无需打磨、励磁和耦合剂，测量过程简单、方便，一次性可以测量焊缝熔核的多个几何参数。
附图说明
[0011]
图1是本发明的结构示意图；图2本发明焊缝熔核结构参数计算数学模型。
具体实施方式
[0012]
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
[0013]
实施例1一种激光点焊焊核几何参数测量装置，包括测磁传感器1、固定板2、轴承3、弹簧4、顶针5和握把6，如图1所示，具体结构是：测磁传感器1共有八个，将八个测磁传感器1平均分为四组，每组包括两个测磁传感器1；固定板2共有两块，固定板2为弧形，每块固定板2同一端面的两侧分别安装一组测磁传感器1和一个角度传感器7，且每组测磁传感器1在固定板2端面上分别设于上部和下部，两块固定板2设于同一个圆弧上且通过轴承3与握把6连接，两块固定板2在同一平面内自由旋转；
弹簧4的外端连接顶针5，弹簧4的内端固定在握把6的中部，测量时，通过握把6中部的弹簧4和顶针5可自动调节四组测磁传感器1与焊缝的贴合度，从而提高测量的灵敏度。
[0014]
本实施例中：测磁传感器1的精度不低于0.1nt；固定板2所对应的圆心角固定板2所对应的圆心角在30
°
～45
°
，本实施例取30
°
。
[0015]
本实施例使用时：按如下步骤依次实施：a. 握住装置中间的握把6，将顶针5对准并顶住焊缝的中心位置，使两块固定板2横跨在焊缝上方，通过顶针5顶住焊缝的顶部，旋转握把6即可在同一平面内自由旋转；b. 根据焊缝的尺寸大小，调节两块固定板2，使固定板2上各组测磁传感器2都与焊缝表面接触；c. 轻压握把6，握把6通过弹簧4推动顶针5，使各组测磁传感器1都自动调节至与焊缝紧密贴合；d. 通过四组上、下分布的两个测磁传感器1测量焊缝当前位置各点的焊缝深度，分别记为d1，d2，d3和d4，通过角度传感器7测量焊缝倾角α；e. 握住握把6的上端，沿着焊缝边缘旋转，测量焊缝其他位置的焊缝深度，分别记为d1'、d2'、d3'和d4'，旋转一周后可以得到整个焊缝的焊缝深度集合，将其定义为d'；f. 利用焊缝深度集合d'，用最小二乘法拟合出焊缝熔核的三维立体几何形状，具体如下所述：令：拟合的三维立体几何形状曲线为二次函数y=f(x)=ax2+bx+c，令某次测量的焊缝深度d1、d2、d3和d4所对应的坐标分别为d1(x1,y1)、d2(x2,y2)、d3(x3,y3)和d4(x4,y4)，共测量n次，则由最小二乘法可得：次，则由最小二乘法可得：=代入测量点d1、d2、d3和d4的坐标并求解系数a、b和c，即可得到拟合曲线y=f(x)；g. 根据焊核的熔深、熔宽、焊宽等几何参数的定义，建立焊缝深度与几何参数的关系，并计算出这些几何参数，具体如下所述：令：h1和h2为熔深，b1和b2为熔宽，d为焊缝高度，定垂直于焊缝表面的方向为y轴方向，取沿焊缝表面垂直于y轴方向为x轴方向，建立直角坐标系，点o为坐标原点，α为角度传感器测得的焊缝倾角。如图2所示，熔深h1为|cf|，h2为|cd|；熔宽b1为|ac|，b2为|cb|；焊高d为|oc|；令拟合曲线y=f(x)与x轴的两个交点坐标分别为a(x1,0)和b(x2,0)，在
△
abc中：
，在直角坐标系xoy中，直线bc的斜率为tanα，直线de与直线bc平行，斜率也为tanα，由拟合曲线方程y=f(x)和直线de的斜率求出切点坐标d(x,y)，随后，利用点斜法求出直线de的方程为y=f1(x)，求得点b(x2,0)与直线de的距离即为熔深h2。
[0016]
同理，在直角坐标系xoy中，直线ac的斜率为tanβ，直线fg与直线ac平行，斜率也为tanβ，由拟合曲线方程y=f(x)和直线fg的斜率求出切点坐标f(x,y)，随后，利用点斜法求出直线fg的方程为y=f2(x)，求得点a(x1,0)与直线fg的距离即为熔深h1。