一种激光焊接质量在线监测装置及监测方法

1.本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种激光焊接质量在线监测装置及监测方法。

背景技术：

2.针对金属焊接加工，需要保证焊接结构的完整性、可靠性，但是在焊接过程中由于工件装夹、焊接工艺及表面涂层等的干扰，使得焊接质量无法保证，易发生未熔合、夹渣、裂纹等缺陷，在全自动化焊接作业中会导致零件废品率上升，尤其是在大尺寸工件焊激光焊接质量在线监测方法及装置接中，会带来巨大的经济损失。
3.目前最常见到的是基于视觉的焊接质量监测手段，通过采集焊缝图像进行图像处理，识别出焊缝缺陷，但该方式只能识别焊缝表面质量，且只能采集焊接后表面图像，无法做到在线实时监测。
4.基于温度监测的焊接质量监测手段也较为常见，采用光电二极管、红外测温仪或者红外热像仪来采集焊接中温度信号，通过神经网络的训练得到温度特征与焊接质量的关联，实现焊接质量监测，但红外热像仪成本较高，因数据量较大无法做到实时监测，而光电二极管和红外测温仪可以实现实时监测，但其测量内容为点温度，需与激光对材料作用点对准才能保证测量数据的有效性，当调整激光离焦量后需重新调整采集模块，操作不便。
5.如何有效地解决上述技术难点，是目前本领域技术人员需解决的问题。

技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种激光焊接质量在线监测装置及监测方法。
7.激光焊接质量在线监测装置包括装置本体，所述装置本体包括：
8.激光焊接设备，对目标金属材料进行焊接；
9.第一工业相机，设置在所述激光焊接设备的顶部，并且采集激光与材料作用位置的图像信息，以及关注激光焊接中产生的等离子体的大小和亮度信息；
10.第二工业相机，设置在所述激光焊接设备的后部，并且采集焊接完成的焊缝表面图像信息，判断焊缝表面是否出现焊接缺陷；
11.声音传感设备，设置在所述激光焊接设备与所述第二工业相机之间，并且采集焊接环境中的声音信息，以及对采集到的声音信息做滤波处理，排除环境噪音和设备运行噪音；
12.焊接质量解算盒，连接在所述激光焊接设备上，用于接收所述第一工业相机和所述第二工业相机以及所述声音传感设备所采集到的数据信息，并且将该数据进行处理后反馈至控制系统。
13.进一步地，所述激光焊接设备包括激光焊接头，所述激光焊接头上连接有防护气嘴，所述防护气嘴上设置有水冷件。
14.进一步地，所述激光焊接头上设置有用于连接所述第二工业相机的连接件，所述第二工业相机设置在远离所述激光焊接头侧的所述连接件的端部。
15.进一步地，所述连接件的轴向垂直于所述防护气嘴的轴向。
16.进一步地，所述声音传感设备设置在所述连接件上并且朝向所述目标金属材料侧。
17.进一步地，所述焊接质量解算盒设置在靠近所述第一工业相机侧的所述激光焊接头上。
18.一种激光焊接质量在线监测包括：
19.构建算法步骤，用于构建所述第一工业相机和所述声音传感设备所采集的声音信息融合的第一算法并将所述第一算法经标准焊接平台预训练，以及构建所述第二工业相机图像处理算法和与所述第一算法输出结构的闭环修正第二算法；
20.安装装置本体步骤，在所述激光焊接设备上安装所述第二工业相机、所述声音传感设备和所述焊接质量解算盒，并在所述焊接质量解算盒中接入所述第一工业相机；
21.焊接实验步骤，所述焊接质量解算盒根据所述第一工业相机和所述第二工业相机以及所述声音传感设备所采集的数据信息进行分析，并将改数据进行处理后反馈至控制系统。
22.进一步地，在所述构建算法步骤中，将所述第一算法经标准焊接平台训练时，在所述标准焊接平台中可进行有效识别。
23.进一步地，在所述焊接实验步骤中，还包括：
24.人工分析步骤，对所述第一工业相机和所述声音传感设备所采集的数据信息进行人工分析反馈焊接质量是否满足目标需求；
25.当所述人工分析反馈焊接质量未满足目标需求时，使用所述第一工业相机和所述声音传感设备所采集的数据信息以及所述人工分析步骤的分析结果对所述第一算法在实际工况下再次训练。
26.进一步地，对所述第二工业相机采集到的图像信息进行图像处理后得到焊接质量结果，经过所述人工分析步骤后的分析结果也作为反馈结果参与所述第一算法的训练。
27.在本发明中，通过第一工业相机和第二工业相机的双重视觉并且结合声音传感设备的方式，获取焊接过程中的激光与材料作用位置的图像相关信息、焊接完成的焊缝表面图像信息以及焊接环境中的声音信息，以确定激光与材料作用位置、焊缝表面图像信息是否有缺陷和定位缺陷类型及位置。与此同时，焊接质量解算盒将采集到的数据信息将该数据进行处理后反馈至控制系统。不仅可以监测焊缝表面焊接质量，还可以反映是否焊透、是否有焊接裂纹等情况，并可以在线实时监测。
附图说明
28.图1是本发明提供的激光焊接质量在线监测装置的结构示意图；
29.图2是本发明提供的激光焊接质量在线监测装置的监测方法图；
30.附图标记：
31.1、激光焊接设备；
32.2、第一工业相机；
33.3、焊接质量解算盒；
34.4、连接件；
35.5、第二工业相机；
36.6、声音传感设备；
37.7、防护气嘴；
38.8、水冷件。
具体实施方式
39.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
40.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
41.本发明提供的一实施例，如图1所示，一种激光焊接质量在线监测装置包括装置本体，装置本体包括：
42.激光焊接设备1，对目标金属材料进行焊接；
43.第一工业相机2，设置在激光焊接设备1的顶部，并且采集激光与材料作用位置的图像信息，以及关注激光焊接中产生的等离子体的大小和亮度信息；
44.第二工业相机5，设置在激光焊接设备1的后部，并且采集焊接完成的焊缝表面图像信息，判断焊缝表面是否出现焊接缺陷；
45.声音传感设备6，设置在激光焊接设备1与第二工业相机5之间，并且采集焊接环境中的声音信息，以及对采集到的声音信息做滤波处理，排除环境噪音和设备运行噪音；
46.焊接质量解算盒3，连接在激光焊接设备1上，用于接收第一工业相机2和第二工业相机5以及声音传感设备6所采集到的数据信息，并且将改数据进行处理后反馈至控制系统。
47.在本实施例中，通过第一工业相机2和第二工业相机5的双重视觉并且结合声音传感设备6的方式，获取焊接过程中的激光与材料作用位置的图像相关信息、焊接完成的焊缝表面图像信息以及焊接环境中的声音信息，以确定激光与材料作用位置、焊缝表面图像信息是否有缺陷和定位缺陷类型及位置。与此同时，焊接质量解算盒3将采集到的数据信息将该数据进行处理后反馈至控制系统。不仅可以监测焊缝表面焊接质量，还可以反映是否焊
透、是否有焊接裂纹等情况，并可以在线实时监测和精准反馈。
48.本发明利用第一工业相机2、第二工业相机5、声音传感设备6和焊接质量解算盒3即可满足焊接和监测及在线监测需求，成本较低并且不需要复杂的调整对中工作。其中，第一工业相机2为同轴ccd相机，第二工业相机5为质量检测相机，声音传感设备6为声音传感器。
49.第一工业相机2和声音传感设备6的信息源的数据融合，实时监测焊缝质量。
50.本发明提供的又一实施例，如图1所示，激光焊接设备1包括激光焊接头，激光焊接头上连接有防护气嘴7，防护气嘴7上设置有水冷件8。
51.在本实施例中，由于焊接过程中，会有部分激光作用在保护气嘴7上，而水冷件8为保护气嘴7进行冷却，避免保护气嘴7的损坏。
52.第一工业相机2安装在激光焊接头的上方，能够直接观测到激光与零件作用区域的图像信息。
53.本发明提供的又一实施例，如图1所示，激光焊接头上设置有用于连接第二工业相机5的连接件4，第二工业相机5设置在远离激光焊接头侧的连接件4的端部。
54.在本实施例中，第二工业相机5安装在激光焊接头运动方向的后方，第二工业相机5的偏置距离及安装高度影响视野范围。其中，视野范围与最大焊接速度、相机帧率相关，即拍摄视野范围等于最大焊接速度与相机帧率之比。
55.第二工业相机5判断焊缝表面是否出现焊接缺陷包括但不限于虚焊、漏焊、氧化等，并使用焊接完成的焊缝表面图像信息在焊接工作中不断修正第二工业相机5与声音传感设备6反馈的焊接质量信息。
56.为了更进一步地在有限范围能增加第二工业相机5的可移动直径，本发明提供的又一实施例，如图1所示，连接件4的轴向垂直于防护气嘴7的轴向。
57.为了更进一步地采集声音数据，本发明提供的又一实施例，如图1所示，声音传感设备6设置在连接件4上并且朝向目标金属材料侧。
58.在本实施例中，声音传感设备安装时，应与激光以及与零件作用区域之间均无遮挡。
59.根据不同的监测环境，声音传感设备6也可以设置在连接件4上的其它位置和朝向。
60.本发明提供的又一实施例，如图1所示，焊接质量解算盒3设置在靠近第一工业相机2侧的激光焊接头上。
61.在本实施例中，将焊接质量解算盒3安装在激光头上，能够减少第一工业相机2和第二工业相机5的的数据线长度，降低数据传输的延时，提高系统的实时响应性。
62.激光焊接头在待焊零件的上方，激光焊接头与待焊零件之间的距离根据焊接所需的光斑直径决定。
63.在本发明中，激光焊接设备1、第一工业相机2、第二工业相机5、声音传感设备6和焊接质量解算盒3也分别电性连接至控制系统并且通过控制系统进行操控。
64.本发明提供的又一实施例，结合图2，一种激光焊接质量在线监测方法包括：
65.构建算法步骤，用于构建第一工业相机和声音传感设备所采集的声音信息融合的第一算法并将第一算法经标准焊接平台预训练，以及构建第二工业相机图像处理算法和与
第一算法输出结构的闭环修正第二算法；
66.安装装置本体步骤，在激光焊接设备上安装第二工业相机、声音传感设备和焊接质量解算盒，并在焊接质量解算盒中接入第一工业相机；
67.焊接实验步骤，焊接质量解算盒根据第一工业相机和第二工业相机以及声音传感设备所采集的数据信息进行分析，并将改数据进行处理后反馈至控制系统。
68.在本实施例中，通过第一工业相机和第二工业相机的双重视觉并且结合声音传感设备的方式，获取焊接过程中的激光与材料作用位置的图像相关信息、焊接完成的焊缝表面图像信息以及焊接环境中的声音信息。与此同时，通过训练的深度学习模型对比确定焊接结果是否有缺陷，定位缺陷类型及位置。
69.本发明提供的又一实施例，在构建算法步骤中，将第一算法经标准焊接平台训练时，在标准焊接平台中可进行有效识别。
70.为了进一步地提升焊接质量，本发明提供的又一实施例，在焊接实验步骤中，还包括：
71.人工分析步骤，对第一工业相机和声音传感设备所采集的数据信息进行人工分析反馈焊接质量是否满足目标需求；
72.如图2所示，当人工分析反馈焊接质量未满足目标需求时，使用第一工业相机和声音传感设备所采集的数据信息以及人工分析步骤的分析结果对第一算法在实际工况下再次训练。
73.本发明提供的又一实施例，对第二工业相机采集到的图像信息进行图像处理后得到焊接质量结果，经过人工分析步骤后的分析结果也作为反馈结果参与第一算法的训练。
74.在本实施例中，操作简单，除前期调试外，后续使用过程中基本不需人工干预。在工作过程中会不断进行自训练，其测量精度随使用次数的增加会不断增加。
75.本发明的技术方案提高了产率、质量、精度、效率、安全性和使用寿命，节省了能耗、原材料、工序和人力的经济成本。加工、操作、控制、使用和维修均实现了简便，并且实现了节能减排、环境污染的治理。
76.以上所述并非是对本发明的限制，最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或替换，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：

1.一种激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，包括装置本体，所述装置本体包括：激光焊接设备，对目标金属材料进行焊接；第一工业相机，设置在所述激光焊接设备的顶部，并且采集激光与材料作用位置的图像信息，以及关注激光焊接中产生的等离子体的大小和亮度信息；第二工业相机，设置在所述激光焊接设备的后部，并且采集焊接完成的焊缝表面图像信息，判断焊缝表面是否出现焊接缺陷；声音传感设备，设置在所述激光焊接设备与所述第二工业相机之间，并且采集焊接环境中的声音信息，以及对采集到的声音信息做滤波处理，排除环境噪音和设备运行噪音；焊接质量解算盒，连接在所述激光焊接设备上，用于接收所述第一工业相机和所述第二工业相机以及所述声音传感设备所采集到的数据信息，并且将该数据进行处理后反馈至控制系统。2.根据权利要求1所述的激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，所述激光焊接设备包括激光焊接头，所述激光焊接头上连接有防护气嘴，所述防护气嘴上设置有水冷件。3.根据权利要求2所述的激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，所述激光焊接头上设置有用于连接所述第二工业相机的连接件，所述第二工业相机设置在远离所述激光焊接头侧的所述连接件的端部。4.根据权利要求3所述的激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，所述连接件的轴向垂直于所述防护气嘴的轴向。5.根据权利要求3所述的激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，所述声音传感设备设置在所述连接件上并且朝向所述目标金属材料侧。6.根据权利要求1所述的激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，所述焊接质量解算盒设置在靠近所述第一工业相机侧的所述激光焊接头上。7.一种激光焊接质量在线监测方法，根据权利要求1至6任一所述的激光焊接质量在线监测装置，其特征在于，构建算法步骤，用于构建所述第一工业相机和所述声音传感设备所采集的声音信息融合的第一算法并将所述第一算法经标准焊接平台预训练，以及构建所述第二工业相机图像处理算法和与所述第一算法输出结构的闭环修正第二算法；安装装置本体步骤，在所述激光焊接设备上安装所述第二工业相机、所述声音传感设备和所述焊接质量解算盒，并在所述焊接质量解算盒中接入所述第一工业相机；焊接实验步骤，所述焊接质量解算盒根据所述第一工业相机和所述第二工业相机以及所述声音传感设备所采集的数据信息进行分析，并将改数据进行处理后反馈至控制系统。8.根据权利要求7所述的激光焊接质量在线监测方法，其特征在于，在所述构建算法步骤中，将所述第一算法经标准焊接平台训练时，在所述标准焊接平台中可进行有效识别。9.根据权利要求7所述的激光焊接质量在线监测方法，其特征在于，在所述焊接实验步骤中，还包括：人工分析步骤，对所述第一工业相机和所述声音传感设备所采集的数据信息进行人工分析反馈焊接质量是否满足目标需求；当所述人工分析反馈焊接质量未满足目标需求时，使用所述第一工业相机和所述声音传感设备所采集的数据信息以及所述人工分析步骤的分析结果对所述第一算法在实际工
况下再次训练。10.根据权利要求9所述的激光焊接质量在线监测方法，其特征在于，对所述第二工业相机采集到的图像信息进行图像处理后得到焊接质量结果，经过所述人工分析步骤后的分析结果也作为反馈结果参与所述第一算法的训练。

技术总结

本发明涉及激光焊接技术领域，提供了一种激光焊接质量在线监测装置及监测方法，包括装置本体，装置本体包括激光焊接设备、第一工业相机、第二工业相机、声音传感设备和焊接质量解算盒；通过第一工业相机和第二工业相机的双重视觉并且结合声音传感设备的方式，获取焊接过程中的激光与材料作用位置的图像相关信息、焊接完成的焊缝表面图像信息以及焊接环境中的声音信息，以确定激光与材料作用位置、焊缝表面图像信息是否有缺陷和定位缺陷类型及位置。与此同时，焊接质量解算盒将采集到的数据信息将该数据进行处理后反馈至控制系统。不仅可以监测焊缝表面焊接质量，还可以反映是否焊透、是否有焊接裂纹等情况，并可以在线实时监测。测。测。