[发明专利]焊接系统及焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用激光超声技术的焊接系统及方法。

背景技术

焊接是结构制造必不可少的技术，而且随着当代技术的进步，焊接可用于由通常难以焊接的材料制成的对象，或者具有通常难以焊接的形状的对象。同时，当使用先进焊接技术制造的结构一旦根据检查结果确定存在焊接缺陷，通常无法轻易对其进行重新焊接。因此，由于焊接缺陷造成的对工艺或成本的影响日益增加。在此情况下，为保证焊接结构的可靠性，检查(inspection)技术(JIS Z3060：Method for ultrasonic examination for welds of ferritic steel(非专利文献1)和由日本焊接协会编著、于1986年12月20日出版的“Basics of welding technology”(非专利文献2)，在此以引用的方式结合其全部内容)的重要性比以前更高了。

如上所述，当根据焊接之后的质量检查的结果确认在诸如厚板焊接的技术上困难的焊接中出现焊接缺陷时，重新焊接所需的成本和构造周期明显增加。

因此，期望检查不是在焊接操作之后而是在焊接操作期间进行。根据检查结果，可以改变焊接条件，或者可以将重新焊接及时反馈给焊接处理。如果能够实现这一过程，则可以显著地降低重新焊接的成本。此外，在检查是在焊接之后进行的情况下，如果被焊接对象尺寸很大，则可能出现冷却该对象需要超过半天的情况，使得无法在焊接之后立即进行检查。因此，直到开始检查之前的时间被浪费了。

日本专利申请公开号No.2001-71139(专利文献1)或日本专利申请公开号No.2002-71649(专利文献2)(在此通过引用的方式结合其全部内容)提出了一种在焊接操作期间检查焊接质量的技术，作为解决以上问题的方法。然而，这些系统使用一种探针，该探针接触被焊接对象的表面，用以将超声波发射到对象上或接收来自对象的超声波。在这些方法中，需要诸如甘油或水的接触介质，以允许超声探针接触被焊接对象的表面，这使得后处理变得复杂。另外，在被焊接对象具有很高温度的情况下，需要用于防止探针损坏的特殊机构。

日本专利申请公开号No.2007-90435(专利文献3，在此通过引用的方式结合其全部内容)提出了一种系统，其中超声波发生机构附接到焊接机构以监测焊接操作。在此系统中，超声探针未制作成接触被焊接对象，而是设置在焊接机构中，由此不必考虑被焊接对象的温度。然而，在此系统中，必须将超声波发生机构直接设置在焊接机构中，这需要对现有的焊接装置进行改造，且将可应用的焊接方法限制为点焊或其类似方法。因此，在此系统中，难以执行多样化的焊接，诸如对接焊/坡口焊。这是因为该系统不是直接检测诸如在实际焊接中由不良焊接部产生的反射回波的指示，而是检测超声信号的变化，因此不能识别不良焊接部。因此，这一系统不适用于修补特定的焊接部。

为了克服以上问题，已经尝试应用实现非接触检查的激光超声技术。例如，在日本专利申请公开号No.2007-57485(专利文献4，在此以引用的方式结合其全部内容)中，能够以非接触方式进行测量的激光超声方法用于检测焊接部中的焊接缺陷或气孔。然而，专利文献4的方法是基于在焊接完成之后执行检查的假设，因而难以应用于过程中(in-processing)检查。尽管日本专利申请公开号No.H11-101632(专利文献5，在此通过引用的方式结合其全部内容)提出了过程中测量，但该测量是针对被焊接对象的厚度、其中的相位变化位置、或焊接期间的成分变化，而不是针对焊接缺陷检查。另外，在焊接期间并未进行反馈，因此如果出现焊接缺陷，需要进行重新焊接操作。

此外，专利文献4和5未描述任何有关对激光照射表面状态的影响，这是激光超声方法中出现的问题。当被焊接对象在焊接时被过度加热，被焊接对象被氧化，导致激光照射表面的状态无规律地变化。类似地，由于在焊接时的溅射物或散射物，诸如烟尘，被焊接对象表面的状态改变。此外，专利文献4公开了一种将用于发射超声波到对象上或接收来自对象的超声波的激光照射到被焊接金属上的技术。在诸如专利文献4中作为示例的实质上没有形成焊珠(welding bead)的点焊的焊接中，在发射/接收超声波时几乎未出现灵敏度的降低或变化；然而，在进行扫描或多层焊接时会形成焊珠，并且由于所形成的焊珠而引起的不规则性的微小变化或表面状态的改变，将导致超声波的灵敏度降低或变化。在激光超声方法中，这对检测效果产生了严重的不利影响。