一种焊缝的激光复合处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及焊缝表面处理技术领域，特别是涉及一种焊缝的激光复合处理装置及处理方法。

背景技术

船舶体积庞大，船舶船体大部分都是由金属材料制作而成的，用加热等方法把金属部件焊接起来，形成焊缝。焊缝是船体较薄弱位置，一方面，容易受到海水温度、大气以及海水盐碱度的影响，表面生成锈蚀层，另一方面，是由焊接引起的表面温度分布不均匀、焊件金属材质的热胀冷缩等，产生的残余应力。

现有技术中，焊件表面除锈方法常用的是进行整体喷砂或喷丸，但这种方式产生的污染和损耗较大，并且不能特定地对焊缝区域位置进行除锈。消除残余应力常用的方法是高温回火，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度和保温一定时间，从而使残余应力降低，此种方式同样不能特定地对因为焊接引起的应力进行消除，灵活性差，成本高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能同时对焊缝区域位置处进行除锈和消除残余应力的焊缝的激光复合处理装置及处理方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种焊缝的激光复合处理装置，包括通过机械臂设置在工作台上方的射线检测装置、激光清洗头、三维视觉测量装置，控制器接收三维视觉测量装置信号，使机械臂调节射线检测装置、激光清洗头工作位置，并控制射线检测装置、激光清洗头工作。

其中，激光清洗头为纳秒脉冲激光器，其激光束为高斯或平顶分布，射线检测装置为残余应力分析仪，三维视觉测量装置为三维扫描仪。

其中，工作台上设有样品台，样品台上表面设有夹固装置，下表面设有电动升降架，控制器控制电动升降架升降，调节样品台的高度。

其中，夹固装置为长条形，两端折弯，折弯的边通过螺栓固定在样品台两侧，将样品固定在样品台上。

其中，样品台一侧设有烟雾净化器。

一种使用焊缝的激光复合处理装置的处理方法，包括以下步骤：

步骤S1：三维视觉测量装置对焊缝区域位置进行定位，并将坐标数据反馈给控制器；

步骤S2：射线检测装置对焊缝区域进行残余应力检测；

步骤S3：激光清洗头对焊缝区域进行清洗，并检测清洗后残余应力，直到样品焊缝区域满足涂装要求。

步骤S1所述的三维视觉测量装置对焊缝区域位置进行定位，并将坐标数据反馈给控制器，包括以下子步骤：

步骤S101：通过夹固装置将样品固定在样品台上，启动三维视觉测量装置，对样品表面进行整体扫描，以三维视觉测量装置发出的测量射线长度为X轴，测量射线移动方向为Y轴，工件表面的高度数据为Z轴，初始位置则为设定坐标系的原点，轮廓测量数据存储为(x,y,z)，并将坐标数据反馈给控制器；

步骤S102：控制器提取(x,y,z)中具有焊缝的区域坐标信息，并控制电动升降架，调节样品台的高度，并同时调节机械臂，使射线检测装置对准样品的焊缝区域。

步骤S2所述的对样品的焊缝区域进行残余应力检测，具体为：射线检测装置根据焊缝区域坐标信息，在焊缝区域选定多组测试点，每组测试点距离焊缝中心10～15mm，每组测试点之间距离为5～10mm。

步骤S3所述的对焊缝区域进行清洗，并检测清洗后残余应力，直到样品焊缝区域满足涂装要求，包括以下子步骤：

步骤S301：控制器控制机械臂调节激光清洗头对准已进行过残余应力检测的焊缝区域，启动烟雾净化器和激光清洗头进行清洗；

步骤S302：清洗结束后，射线检测装置重新对检测点进行残余应力检测，对比前后的残余应力值，判断焊缝区域是否符合表面涂装要求，如不符合则继续进行激光清洗；

具体为：激光清洗后，焊缝区域的残余应力值减小，当由拉应力完全转变为压应力，即满足以下关系时，符合表面涂装要求，如不满足，则继续进行激光清洗，直到样品焊缝区域满足涂装要求，

其中，激光处理前应力为σ

有益效果：本发明具有如下优点：1、本发明通过激光清洗头对焊缝进行除锈和消除残余应力，激光清洗使材料表面锈层或其他污染物在吸收激光能量后产生膨松、气化、震碎等与基体脱离，在除锈同时又不会损坏工件，提高了船舶行业材料表面处理的效率；

2、本发明通过三维视觉测量装置、射线检测装置对样品焊缝区域进行定位及测定残余应力值，能够直接针对焊缝区域激光清洗、消除了残余应力，灵活性高；

3、本发明通过计算机调节机械臂以及样品台的高度，代替人工操作，自动化程度高、操作简单、清洗质量稳定。

附图说明

图1为本发明处理装置正视图；

图2为本发明处理方法流程图；

图3为应力测量空间坐标；

图4分别为原始样品、焊接后未清洗时样品、激光清洗后样品的表面微观扫描图；

图5分别为原始样品、焊接后未清洗时样品、激光清洗后样品的表面元素分析图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种焊缝的激光复合处理装置，包括通过机械臂2设置在工作台上方的射线检测装置7、激光清洗头8、三维视觉测量装置9，控制器1接收三维视觉测量装置9信号，使机械臂2调节射线检测装置7、激光清洗头8工作位置，并控制射线检测装置7、激光清洗头8工作。

其中，激光清洗头8为纳秒脉冲激光器，其激光束为高斯或平顶分布，射线检测装置7为残余应力分析仪，三维视觉测量装置9为三维扫描仪。

其中，工作台上设有样品台4，样品台4上表面设有夹固装置3，下表面设有电动升降架5，控制器1控制电动升降架5升降，调节样品台4的高度。

其中，夹固装置3为长条形，两端折弯，折弯的边通过螺栓固定在样品台两侧，将样品固定在样品台4上。

其中，样品台4一侧设有烟雾净化器6，能够吸收激光清洗过程中产生的有害颗粒粉尘通过吸气臂进入回收体统，且烟雾净化器6内置有防止火花飞溅的过滤分离装置。

如图2所示，一种焊缝的激光复合处理装置的处理方法，包括以下步骤：

步骤S1：三维视觉测量装置9对焊缝区域位置进行定位，并将坐标数据反馈给控制器1；具体包括以下子步骤：

步骤S101：通过夹固装置3将样品固定在样品台4上，启动三维视觉测量装置9，对样品表面进行整体扫描，以三维视觉测量装置9发出的测量射线长度为X轴，测量射线移动方向为Y轴，工件表面的高度数据为Z轴，初始位置则为设定坐标系的原点，轮廓测量数据存储为(x,y,z)，并将坐标数据反馈给控制器1；

步骤S102：控制器1提取(x,y,z)中具有焊缝的区域坐标信息，并控制电动升降架5，调节样品台4的高度，并同时调节机械臂2，使射线检测装置7对准样品的焊缝区域。

步骤S2：射线检测装置7对焊缝区域进行残余应力检测；具体为：射线检测装置7根据焊缝区域坐标信息，在焊缝区域选定多组测试点，每组测试点距离焊缝中心10～15mm，每组测试点之间距离为5～10mm。

根据弹性力学理论，如图3所示为应力测量空间坐标，应变

式中，σ

τ

σ

Ф和ψ为空间任意方向OP的两个方位角，ψ为OP与样品表面法线的夹角，Ф是OP在样品平面上的投影与x轴的夹角，

根据布拉格方程，应变

式中d

射线检测装置7将式(1)与(2)相结合则可以通过微观的晶面间距计算求得宏观应力。

X射线的穿透能力较弱，只能测得材料表面的残余应力，将材料表面的应力视为二维应力，法线方向应力为零，即σ

式(3)中的K被定义为X射线应力常数，

步骤S3：激光清洗头8对焊缝区域进行清洗，并检测清洗后残余应力，直到焊缝区域满足涂装要求，具体包括以下子步骤：

步骤S301：控制器1控制机械臂2调节激光清洗头8对准已进行过残余应力检测的焊缝区域，启动烟雾净化器6和激光清洗头8进行清洗；本实施例中激光清洗头8采用参数脉宽为100ns、频率为18～21KHz、功率200w、扫描速度为2000～4000mm/s、扫描间距为0.08mm、焦距为301mm；

步骤S302：清洗结束后，射线检测装置7重新对检测点进行残余应力检测，对比前后的残余应力值，判断焊缝区域是否符合表面涂装要求，如不符合则继续进行激光清洗；

具体为：激光清洗后，焊缝区域的残余应力值减小，当由拉应力完全转变为压应力，即满足以下关系时，符合表面涂装要求，如不满足，则继续进行激光清洗，直到样品焊缝区域满足涂装要求，

其中，激光处理前应力为σ

本实施例中选取5组测试点，每组测试点距离焊缝中心10mm，每组测试点之间距离为10mm。焊接后未清洗样品5个点残余应力值如下：

激光清洗后的样品5个点残余应力值如下：

/>

从检测数据可以看出，经过激光处理后材料里的残余拉应力转变为残余压应力，激光清洗消除了残余应力，并且可以将拉应力转变为压应力。

对样品进行微观表征，将焊接后的样品、激光清洗过的样品以及母材再次进行线切割，切成小块分别用扫描电镜SEM、能谱仪EDS判断除锈效果。

如图4所示，扫描电镜SEM能清晰地观察到原始样品、带有锈层样品和激光处理后样品的表面形貌的差异，带有锈蚀样品表面出现了明显的腐蚀产物，在激光处理后消失。

如图5所述，根据EDS元素分析看到激光处理前后表面元素成分与原始材料表面含量基本相同，氧元素含量几乎消失，达到较好的除锈效果。

激光清洗能够使材料表面锈层或是其他污染物在吸收激光能量后产生膨松、气化、震碎等现象，并与基体脱离，在除锈同时又不会损坏工件，同时激光冲击能够消除焊接产生的拉应力，降低焊接处应力集中程度，产生的污染及损耗小。本装置通过三维视觉测量装置9、射线检测装置7对样品焊缝区域进行定位及测定残余应力值，对焊缝区域激光清洗绣层或污染物的同时消除了焊缝区域的残余应力，灵活性高，提高了船舶行业材料表面处理的效率。