METODO PARA EVALUAR INSTANTANEAMENTE LA CALIDAD DE UNA SOLDADURA.

Método para la evaluación instantánea de la calidad de soldadura durante un proceso de soldadura,

del tipo con generación de plasma, en materiales metálicos, que comprende las siguientes etapas:

a) adquirir instantáneamente, a una frecuencia predeterminada f, las radiaciones emitidas por el plasma durante la operación de soldadura dentro de la zona en la que se produce la generación de plasma; y

b) generar/adquirir, para cada instante t de adquisición de dichas radiaciones emitidas por el plasma, el espectro de emisión respectivo;

caracterizado porque comprende, para cada instante considerado t0 de la soldadura, las etapas de:

c) definir un intervalo de tiempo ?T que precede a dicho instante t0;

d) seleccionar dos o más líneas i, j del espectro correspondientes a dos o más longitudes de onda ?i, ?j;

e) medir su intensidad xi(t), para cada instante t de adquisición de las radiaciones, comprendido dentro de dicho intervalo de tiempo ?T;

f) calcular al menos un coeficiente de síntesis ci,j, ... (t0), función de la intensidad con el tiempo de dichas dos o más líneas del espectro ci,j, ... (t0)=f(xi(t), xj(t), ...);

g) analizar dicho al menos un coeficiente de síntesis ci,j para evaluar la calidad de soldadura;

en el que dicho al menos un coeficiente de síntesis ci,j es un parámetro de correlación estadística de dichas dos o más líneas del espectro en dicho intervalo de tiempo ?T

Método para evaluar instantáneamente la calidad de una soldadura.

La presente invención se refiere a un método para la evaluación instantánea de la calidad de soldadura durante un proceso de soldadura, del tipo con generación de plasma, según el preámbulo de la reivindicación 1, tal como aquellos que utilizan un rayo láser en una condición de "penetración profunda". El documento DE-A-4 313 287 da a conocer un método de este tipo. Este método tiene como objetivo preferiblemente la identificación instantánea de cualquier defecto en la costura de soldadura durante la operación de soldadura.

Para este propósito, se conoce en la técnica cómo analizar las emisiones de potencia del plasma que se genera durante la operación de soldadura con el fin de relacionarlas con la presencia de cualquier defecto en la costura de soldadura.

Se sabe particularmente cómo tomar una muestra, a una frecuencia de toma de muestras conocida, de las radiaciones electromagnéticas que se emiten en los campos visible y ultravioleta, y a veces en el campo infrarrojo, por el plasma generado durante la operación de soldadura, y luego verificando directamente la intensidad y/o el espectro de estas radiaciones para hallar cualquier anomalía que indique la presencia de un defecto.

Por ejemplo, la solicitud de patente europea EP-A-0.911.110 A2, a nombre de TRW Inc., enseña cómo medir las dimensiones del plasma generado durante la operación de soldadura basándose en la adquisición de la intensidad de la radiación luminosa emitida por el plasma, con el fin de comparar estas dimensiones con valores umbral, que se han identificado previamente a través de procesos de calibración adecuados, que proporcionan una indicación de que puede haber defectos presentes en la costura de soldadura.

La patente japonesa JP 2002079386, a nombre de NIPPON STEEL Co., describe un método para identificar defectos en una soldadura con láser en el que la intensidad de las líneas espectrales se adquiere de varias especies que están presentes en el plasma de soldadura, en una ubicación determinada de la costura de soldadura, y la razón entre dos o más de las intensidades detectadas es un parámetro que está relacionado empíricamente con la presencia/ausencia de defectos en la ubicación de la costura de soldadura que está examinándose.

Sin embargo, ambos métodos tratados anteriormente, y otros (no citados en el presente documento) que se basan en el análisis del dominio de frecuencias del espectro de luz adquirido a través de sensores adecuados, han demostrado ser escasamente eficaces en la predicción del tipo y la extensión de cualquier defecto que esté presente durante la operación de soldadura. Particularmente, aunque algunos de estos métodos pueden detectar, con una fiabilidad que no es elevada, la presencia de defectos referentes a la profundidad de penetración de la soldadura, sin embargo, no pueden proporcionar indicaciones claras sobre el tipo de defecto que se ha encontrado y/o no pueden proporcionar una información inmediata, es decir instantánea, durante la operación de soldadura, puesto que requieren un poder de cálculo considerable con el fin de su implementación.

Alternativamente a los métodos que anteriormente se han expuesto brevemente, también se sabe en la técnica cómo calcular (y/o estimar), basándose en la intensidad de pares de líneas espectrales, instante a instante, la denominada temperatura electrónica del plasma, que ha demostrado estar relacionada estrictamente con la presencia/ausencia de defectos en la costura de soldadura.

La patente italiana IT 1.314.519, a nombre del ISTITUTO NAZIONALE per la FISICA della MATERIA de Génova, enseña cómo usar esta estimación de la temperatura electrónica del plasma de soldadura para detectar instantáneamente cualquier defecto que puede producirse durante una operación de soldadura del tipo indicado anteriormente.

Aunque este método no requiere un poder de cálculo excesivo para implementarse, es bastante eficaz en la detección de cualquier defecto, pero no puede proporciona una información precisa sobre el tipo de defecto que está presente, y por tanto, no puede proporcionar información tecnológica, tal como por ejemplo los parámetros instantáneos de la soldadura, que pueden permitir corregir los defectos durante la operación de soldadura o durante posteriores operaciones de soldadura con iguales defectos esperados.

Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un método para evaluar la calidad de una soldadura del tipo con generación de plasma que puede implementarse de tal manera que proporcione estimaciones precisas, sobre la presencia de cualquier defecto, o generalmente sobre la calidad de la soldadura, instante a instante, durante la operación de soldadura, mientras que también proporciona estimaciones precisas sobre la extensión y el tipo de los defectos que se han encontrado.

Otro objeto de la presente invención es proporciona un método que permite verificar instantáneamente el proceso de soldadura, del tipo con generación de plasma, basándose en un parámetro que indica la calidad de soldadura.

Estos y otros objetos se logran mediante el método para la evaluación instantánea de la calidad de soldadura durante un proceso de soldadura, en el que se produce generación de plasma, de materiales metálicos según la primera reivindicación independiente y las posteriores reivindicaciones dependientes, y mediante el método para la identificación instantánea de defectos en la costura de soldadura de materiales metálicos durante un proceso de soldadura en el que se produce generación de plasma, según las reivindicaciones 23 y 24, así como el método para el control instantáneo de un proceso de soldadura en el que se produce generación de plasma de materiales metálicos, según las reivindicaciones 25 y 26.

El método para la evaluación instantánea de la calidad de soldadura durante un proceso de soldadura en materiales metálicos, en el que se produce generación de plasma, según la presente invención, comprende las siguientes etapas:

a) adquirir instantáneamente, a una frecuencia predeterminada f, las radiaciones emitidas por el plasma durante la operación de soldadura; y

b) generar/adquirir, en cualquier instante de adquisición de dichas radiaciones emitidas por el plasma, el espectro de emisión respectivo.

El método según la presente invención también comprende ventajosamente, para cada instante de la soldadura considerado t₀, las siguientes etapas:

c) definir un intervalo de tiempo ?T que precede a dicho instante t₀;

d) seleccionar dos o más líneas i, j del espectro correspondientes a dos o más longitudes de onda ?_i, ?_j;

e) medir sus intensidades x_i(t), en cada instante de adquisición de radiación t comprendido dentro del intervalo de tiempo ?T;

f) calcular al menos un coeficiente de síntesis c_i,j, ..., función de la intensidad con el tiempo de las dos o más líneas del espectro que se han seleccionado previamente c_i,j, ... = f(x_i(t), x_j(t), ...);

g) analizar el coeficiente de síntesis c_i,j para evaluar la calidad de soldadura;

y en el que dicho coeficiente de síntesis c_i,j es un parámetro de correlación estadística de las intensidades de las dos o más líneas espectrales seleccionadas, dentro de dicho intervalo de tiempo ?T. Se ha demostrado que el uso de un parámetro de correlación estadística c_i,j ..., tal como la covarianza, calculada con respecto a las intensidades x_i(t), detectadas con el tiempo dentro de un intervalo adecuado ?T, de incluso unas pocas líneas espectrales correspondientes a especies adecuadas de elementos químicos que están presentes en el plasma de soldadura, proporciona resultados excelentes en la determinación instantánea de la calidad de soldadura, y también en la determinación del tipo de defecto que, instante a instante, puede en su caso producirse en la costura de soldadura, mientras que está realizándose el proceso de soldadura.

Sorprendentemente, el solicitante pudo establecer que el uso de las medidas de intensidad tomadas como muestra de sólo dos líneas espectrales (cuyas intensidades se consideran, por tanto, como variables estadísticas) que se seleccionan por ejemplo, y preferiblemente, entre aquellas relativas a diferentes especies de elementos metálicos que están presentes en la soldadura,...

1. Método para la evaluación instantánea de la calidad de soldadura durante un proceso de soldadura, del tipo con generación de plasma, en materiales metálicos, que comprende las siguientes etapas:

a) adquirir instantáneamente, a una frecuencia predeterminada f, las radiaciones emitidas por el plasma durante la operación de soldadura dentro de la zona en la que se produce la generación de plasma; y

b) generar/adquirir, para cada instante t de adquisición de dichas radiaciones emitidas por el plasma, el espectro de emisión respectivo;

caracterizado porque comprende, para cada instante considerado t₀ de la soldadura, las etapas de:

c) definir un intervalo de tiempo ?T que precede a dicho instante t₀;

d) seleccionar dos o más líneas i, j del espectro correspondientes a dos o más longitudes de onda ?_i, ?_j;

e) medir su intensidad x_i(t), para cada instante t de adquisición de las radiaciones, comprendido dentro de dicho intervalo de tiempo ?T;

f) calcular al menos un coeficiente de síntesis c_i,j, ... (t₀), función de la intensidad con el tiempo de dichas dos o más líneas del espectro c_i,j, ... (t₀)=f(x_i(t), x_j(t), ...);

g) analizar dicho al menos un coeficiente de síntesis c_i,j para evaluar la calidad de soldadura;

en el que dicho al menos un coeficiente de síntesis c_i,j es un parámetro de correlación estadística de dichas dos o más líneas del espectro en dicho intervalo de tiempo ?T.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa de analizar dicho coeficiente de síntesis c_i,j proporciona la comparación de dicho coeficiente con uno o más valores umbral predefinidos S_k.

3. Método según la reivindicación 2, en el que dicho uno o más valores umbral S_k son valores con significación estadística para dicho coeficiente de síntesis c_i,j.

4. Método según la reivindicación 2 ó 3, en el que dicho uno o más valores umbral S_k se calculan como una función de dichas líneas espectrales seleccionadas.

5. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que sólo se seleccionan dos líneas i, j del espectro, caracterizado porque dicho parámetro de correlación comprende una medida de la covarianza.

6. Método según la reivindicación 5, en el que dicho parámetro de correlación es una medida de la covarianza normalizada.

7. Método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque comprende, tras dichas etapas de:

a) adquirir instantáneamente, a una frecuencia predeterminada f, las radiaciones emitidas por el plasma durante la operación de soldadura dentro de la zona en la que se produce la generación de plasma; y

b) generar/adquirir, para cada instante de adquisición de dichas radiaciones emitidas por el plasma, el espectro de emisión respectivo;

para cada instante considerado t₀ del proceso de soldadura, las etapas de:

h) seleccionar uno o más pares de líneas espectrales;

i) calcular la medida instantánea de la temperatura electrónica del plasma Te(t₀) con el tiempo basándose en la intensidad de este uno o más pares de líneas espectrales;

j) evaluar la calidad de soldadura como una función de dicha temperatura electrónica instantánea Te(t₀), así como dicho coeficiente de síntesis c_i,j.

8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque dicha etapa j) de evaluar la calidad de soldadura comprende comparar dicha temperatura electrónica instantánea Te(t₀) con uno o más valores umbral predefinidos TeS_k.

9. Método según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho uno o más valores umbral TeS_k provienen de una etapa de calibración.

10. Método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dicho intervalo de tiempo predefinido ?T es menor que, o igual al tiempo de soldadura total.

11. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que para cada instante t₀ de la soldadura, dicho intervalo de tiempo ?T es una función de la velocidad de soldadura.

12. Método según la reivindicación 11, en el que dicho intervalo de tiempo predefinido ?T es inversamente proporcional a la velocidad de soldadura.

13. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que los intervalos de tiempo predefinidos ?T de la sucesión de intervalos de tiempo ?T de cada instante considerado t₀, se superponen parcialmente entre sí.

14.Método según cualquier reivindicación anterior, en el que los instantes considerados t₀ siguen a una frecuencia dada f.

15. Método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dicha frecuencia predefinida f de adquisición instantánea de las radiaciones emitidas por el plasma es variable y/o se selecciona para cada instante t₀ considerado.

16. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha etapa de adquisición instantánea, a una frecuencia predefinida f, de la radiación emitida por el plasma durante la operación de soldadura proporciona la adquisición de dichas radiaciones que proceden de zonas de la costura de soldadura que son variables con el tiempo.

17. Método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dicha etapa de adquisición instantánea, a una frecuencia predefinida f, de la radiación emitida por el plasma durante la operación de soldadura se refiere a las radiaciones emitidas en los campos de luz ultravioleta y/o visible.

18. Método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dicha soldadura del tipo en el que se produce una generación de plasma es una soldadura con láser.

19. Método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dichas dos o más líneas i, j del espectro, correspondientes a dos o más longitudes de onda ?_i, ?_j, se seleccionan en relación con dos o más especies químicas que están presentes en el plasma.

20. Método según la reivindicación 19, en el que dichas dos o más especies químicas comprenden al menos un material metálico previsto en la soldadura, en una especie química del mismo que está presente en el plasma.

21. Método según la reivindicación 19 ó 20, en el que dichas dos o más especies químicas comprenden al menos oxígeno, en una especie química del mismo que está presente en el plasma.

22. Método según cualquier reivindicación 19 a 21, en el que dichas dos o más especies químicas comprenden al menos dos especies de elementos metálicos que están presentes en el plasma.

23. Método para la identificación instantánea de defectos en la costura de soldadura de materiales metálicos durante una operación de soldadura del tipo con generación de plasma, caracterizado porque comprende las etapas del método según cualquier reivindicación anterior.

24. Método para la identificación instantánea de defectos en la costura de soldadura de materiales metálicos durante una operación de soldadura del tipo con generación de plasma, previamente que comprende las etapas de:

i) adquirir instantáneamente, a una frecuencia predeterminada f, las radiaciones emitidas por el plasma durante la operación de soldadura;

ii) generar/adquirir, para cada instante de adquisición de dichas radiaciones emitidas por el plasma, el espectro de emisión respectivo, y

para cada instante t₀ del proceso de soldadura, las etapas de:

iii) seleccionar uno o más pares de líneas espectrales;

iv) calcular la medida instantánea de la temperatura electrónica del plasma Te(t₀) con el tiempo, basándose en la intensidad de dicho uno o más pares de líneas espectrales;

v) evaluar la presencia de un defecto basándose en la comparación de dicha temperatura electrónica instantánea Te(t₀) con uno o más valores umbral predefinidos TeS_k;

vi) llevar a cabo las etapas del método según cualquier reivindicación 1 a 21 sólo cuando dicha etapa v) proporciona resultados que indican la presencia de un defecto.

25. Método para el control instantáneo de un proceso de soldadura del tipo en el que se produce una generación de plasma de materiales metálicos, en el que se ajustan uno o más parámetros de soldadura durante la operación de soldadura como una función del resultado de dicha etapa de evaluar la calidad de soldadura, según el método de cualquier reivindicación 1 a 22.

26. Método según la reivindicación 25, en el que dicha soldadura del tipo en el que se produce una generación de plasma es una soldadura con láser y dichos parámetros de soldadura ajustados durante la operación de soldadura se seleccionan de: potencia emitida del rayo láser, velocidad de avance del rayo láser a lo largo de los bordes de la soldadura, velocidad de flujo del gas protector.