基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置与流程

本发明属于搅拌摩擦焊焊缝质量检测分析领域，具体提供了一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置

背景技术：

搅拌摩擦焊(frictionstirwelding,fsw)是通过无消耗搅拌头高速旋转插入待焊工件当中，沿预设的焊接方向前进，摩擦产热及塑性变形所产生的热量使得工件局部材料到达粘塑性状态，在锻压力及前进力共同作用下搅拌头前沿的粘塑性材料向后方堆积填补搅拌头前进所产生的空缺，最终形成高质量高性能的fsw焊缝。fsw自1991年英国焊接研究所(twi)发明以来，因其相较于其它焊接工艺具有自身所独特的优势而得到大力发展，尤其是在铝合金连接技术中；其它传统的铝合金连接技术，如钨极氩弧焊、激光焊等，无法满足高强铝合金连接的需求，焊缝存在气孔、裂纹等由于熔化冶金所产生的焊接缺陷，而fsw属于固相焊范畴不会形成因熔化而造成的气孔、裂纹及夹杂等冶金缺陷，并且fsw接头的形成相近与锻造组织，焊合区由于再结晶机制为细小的等轴晶组织，进而形成的焊缝接头具有优良的力学性能。此外，fsw技术作为一种绿色连接技术，焊接过程无污染、弧光及辐射等危害且便于控制、易形成自动化生产。

目前，在fsw过程中待焊工件材料局部有可能存在不均匀性及机械性能不一致性，尽管小几率，但往往成为关键连接部件服役埋下灾难性隐患。此外，fsw过程由于系统控制因素工艺参数会存在偏离预设值的现象，或出现意外干扰，影响焊缝连接质量。北京航空制造工程研究所的刘松平团队表明，fsw缺陷多位于焊缝区与母材连接界面区；缺陷取向复杂，随着焊缝区与母材连接界面在搅拌过程中形成的流线生成和发展；缺陷紧贴、细微，具有明显的面积取向(参见刘松平,刘菲菲,李乐刚,etal.铝合金搅拌摩擦焊缝的无损检测方法[j].航空制造技术,2006(03):78-81.)。现有的fsw焊接检测方法主要为焊后检测，其中包括：通过肉眼对表面外观观察检测表面缺陷的检测，只能对飞边及犁沟等明显外部特征进行检测；及无损检测技术，如超声反射法检测、渗透检测、x射线照相法检测、涡流检测，这些检测通常比较繁琐，不能对fsw进行实时监控，无论fsw焊接连接件接头的好坏，焊后检测都会增加fsw生产成本及时间。

因此，为降低fsw生产成本，发明一种搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测装置及方法具有重大应用价值，本装置及方法考虑到fsw焊接过程中会出现高低周期性起伏的表面弧纹，通过高精度激光位移传感器对表面弧纹间距的间接测量，并与fsw周期性空域特征(步进长度λ)及焊接中粘塑性材料流动质量守恒原理(qianj,lij,sunf,etal.ananalyticalmodeltooptimizerotationspeedandtravelspeedoffrictionstirweldingfordefect-freejoints[j].scriptamaterialia,2013,68(3-4):175-178.)建立判据来进行对fsw焊缝动态检测。本发明从fsw焊接缺陷产生的本质为基础，当fsw中表面弧纹间距过大地偏离于步进长度，表明与粘塑性材料流动相关缺陷的生成。本发明通过实时地对表面弧纹间距进行间接测量与分析，达到对焊缝的动态检测。

技术实现要素：

针对目前面临的难题，本发明公开了一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，本方法及装置基于fsw周期性空域特征(步进长度λ)与表面弧纹、带状组织及洋葱环存在高度的一致性特点，在fsw过程中通过高精度激光位移传感器对产生的表面弧纹高度进行实时采样，并通过计算机对采样数据进行处理及分析，间接得到fsw过程中表面弧纹之间的间距，将其与步进长度λ进行对比分析，从而达到对fsw焊缝质量进行实时检测。该方法考虑粘塑性材料流动质量守恒原理，从缺陷产生的根本原因进行分析，当fsw中表面弧纹间距过大地偏离于步进长度，表明与粘塑性材料流动相关缺陷的生成。该装置包括：搅拌摩擦焊主轴(6)、搅拌头(1)与激光位移传感器检测模块：由气缸(5)、激光位移传感器(2)、控制器(3)及计算机(4)组成。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，所述搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测装置包括：搅拌摩擦焊主轴(6)、搅拌头(1)与激光位移传感器检测模块：由气缸(5)、激光位移传感器(2)、控制器(3)及计算机(4)组成。其特征在于，通过激光位移传感器(2)对搅拌摩擦焊焊接过程中所产生的表面弧纹进行扫描采样，采样数据通过控制器(3)再传入计算机(4)，计算机(4)通过波峰/波谷提取算法得到对表面弧纹间距进行实时间接测量，最后通过对表面弧纹间距变化情况分析来实现对焊缝质量的动态检测，其具体实施包括以下步骤：

(1)参数设置：根据焊接材料选择搅拌摩擦焊焊接工艺参数，并通过控制器设定激光位移传感器采样频率，计算焊接过程中步进长度λ(λ＝ν/ω)。

(2)调节激光位移传感器扫描高度：搅拌摩擦焊开始，激光位移传感器与气缸相连接，通过调节气缸气流量从而达到调节激光位移传感器扫描高度。

(3)数据预处理：搅拌头沿焊接方向行进，激光位移传感器位于搅拌头前进向的正后侧实时采集表面弧纹高度变化特征，表面弧纹的产生受热力周期积累耗散所致，宏观上存在高度明显的周期性变化，设定阈值，对数据进行实时筛选。

(4)数据分析：对预处理后所得到的数据定义为数据点集合{qi(xi，hi)}，其中i>0，通过波峰/波谷提取算法进行分析，如果有数据点满足表面弧纹波谷要求(hi>hi-1且hi>hi+1)与表面弧纹波峰要求(hi<hi-1且hi<hi+1)，数据提取为波峰/波谷点集{ki(bi,hi)}，其中bi是点集合{qi(xi，hi)}进行波峰/波谷提取对应的点序数，数据点集{qi(xi，hi)}中每两个相邻数据点距离基值为c，则可求出相邻波峰(波谷)与波谷(波峰)之间的距离li＝(bi-bi-1)c，li为通过激光位移传感器对搅拌摩擦焊焊接表面弧纹尺寸的间接测量值。

(5)质量评估：对步骤(4)中的所得到的表面弧纹间接测量值与步骤(1)中所得到的步进长度λ建立检测判据，当0.8<li/(λ-li)<1.25时则认为li段不存在缺陷，循环对li+1段进行判别；反之，li不满足此关系，则认为li段存在缺陷，计算机分析界面显示警灯并生成缺陷记录并存储，并循环对li+1段进行判别，当li＝0时该循环检测命令结束，检测完成。

所述的一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，所述的通过波峰/波谷提取算法对间接实时测量的表面弧纹长度li满足于0.8<li/(λ-li)<1.25时，则认为li段不存在缺陷，反之，li不满足此关系，则认为li段存在缺陷，该关系式考虑粘塑性材料流动质量守恒原理，从材料局部流动性缺陷产生的根本原因进行分析，能够准确和快速判断缺陷的有无，从而对整个fsw过程进行实时检测。

所述的一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，所述的形成的数据点集合{qi(xi，hi)}，包括对数据点集合构造数据点曲线并通过b样条线对数据点曲线进行分段拟合。

所述的一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，其特征在于：该方法借助于步进长度λ(λ＝ν/ω)，通过ν、ω对一个周期所前进距离进行预测。

进一步，所述的一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，其特征在于：该方法只适用于焊接匀速焊接阶段，因此不适用于搅拌头初始插入阶段及搅拌头最后抽回阶段。

本发明具有以下优点：

1)该装置及方法可以对焊缝质量实时检测，相较于焊后检测能够节约生产成本及时间。

2)可通过实时检测数据进行在线控制。

3)该装置及方法简便易行，从缺陷产生的根源进行分析。

附图说明

图1为本发明流程图

图2为该装置用于fsw示意图

其中，1-搅拌头，2-激光位移传感器，3-控制器，4-计算机，5-气缸，6-搅拌摩擦焊主轴，7-工件。

图3为fsw焊接过程中表面弧纹间距测量示意图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。

如附图所示，一种基于激光测距的搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测方法及装置，所述搅拌摩擦焊焊缝质量动态检测装置包括：搅拌摩擦焊主轴(6)、搅拌头(1)与激光位移传感器检测模块：由气缸(5)、激光位移传感器(2)、控制器(3)及计算机(4)组成。在fsw焊接过程中，搅拌头(1)沿预设焊接方向前进，激光位移传感器(2)位于搅拌头(1)正后侧实时扫描搅拌头前进后所产生的表面弧纹区域得到高度的实时变化特征，采样数据通过控制器(3)再传入计算机(4)，计算机(4)通过波峰/波谷提取算法得到对表面弧纹间距进行实时的间接测量，最后通过表面弧纹间距的变化情况进行分析来实现对焊缝质量的动态检测，其具体实施包括以下步骤：

(1)参数设置：根据焊接材料选择搅拌摩擦焊焊接工艺参数，并通过控制器设定激光位移传感器采样频率，计算焊接过程中步进长度λ(λ＝ν/ω)。

(2)调节激光位移传感器扫描高度：搅拌摩擦焊开始，激光位移传感器与气缸相连接，通过调节气缸气流量从而达到调节激光位移传感器扫描高度。

(3)数据预处理：搅拌头沿焊接方向行进，激光位移传感器位于搅拌头前进向的正后侧实时采集表面弧纹高度变化特征，表面弧纹的产生受热力周期积累耗散所致，宏观上存在高度明显的周期性变化，设定阈值，对数据进行实时筛选。

(4)数据分析：对预处理后所得到的数据定义为数据点集合{qi(xi，hi)}，其中i>0，通过波峰/波谷提取算法进行分析，如果有数据点满足表面弧纹波谷要求(hi>hi-1且hi>hi+1)与表面弧纹波峰要求(hi<hi-1且hi<hi+1)，数据提取为波峰/波谷点集{ki(bi,hi)}，其中bi是点集合{qi(xi，hi)}进行波峰/波谷提取对应的点序数，数据点集{qi(xi，hi)}中每两个相邻数据点距离基值为c，则可求出相邻波峰(波谷)与波谷(波峰)之间的距离li＝(bi-bi-1)c，li为通过激光位移传感器对搅拌摩擦焊焊接表面弧纹尺寸的间接测量值。

(5)质量评估：对步骤(4)中的所得到的表面弧纹间接测量值与步骤(1)中所得到的步进长度λ建立检测判据，当0.8<li/(λ-li)<1.25时则认为li段不存在缺陷，循环对li+1段进行判别；反之，li不满足此关系，则认为li段存在缺陷，计算机分析界面显示警灯并生成缺陷记录并存储，并循环对li+1段进行判别，当li＝0时该循环检测命令结束，检测完成。

这种检测方法及装置考虑粘塑性材料流动质量守恒原理，并从fsw焊接材料局部流动性缺陷产生的根本原因进行分析，能够准确和快速判断焊接缺陷的有无，从而对整个fsw过程进行实时检测。

上述结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改仍属于本发明的保护范围。