CN101081459A - 三维激光焊接和切割过程的实时监测装置 - Google Patents

Abstract

一种对三维激光焊接和切割加工过程和质量进行实时监测的装置。针对现有技术监测装置，只同轴采集分析一种辐射光，而不能同时同轴采集分析熔池或等离子体辐射光，对准确判断焊接和切割加工过程及质量造成困难的缺点，本发明提出了一种三维激光加工过程同轴采集红外波段和等离子体辐射光信号的实时质量监测的装置。本发明的检测装置，可实现实时质量监测而且为三维激光加工过程中闭环控制提供更精确的信息。

Description

三维激光焊接和切割过程的实时监测装置

技术领域

本发明涉及一种对三维激光焊接和切割加工过程和质量进行实时监测的装置。

背景技术

激光焊接和切割可用于加工金属和非金属材料，且热影响区小，因光束易于导向，可采用灵活的柔性加工方法。基于以上优点，工业上，尤其在汽车、冶金、航空航天和国防等领域得到了广泛的应用。然而在激光焊接和切割加工技术被广泛应用的同时，对其加工过程和质量实施有效实时监测仍是一个亟待解决的问题，并且是进一步实施闭环控制的必要前提。在各种三维激光加工过程中，以激光焊接为例，由于影响焊接过程的因素较多，如等离子状态、焦点位置、焦点误差以及工件变形等都会影响焊接过程的稳定性及最终的熔透状态，仅仅通过固定的焊接规范难以保证获得均匀稳定的焊缝成形，易于产生未焊透或烧穿等缺陷。

因此，对加工状态进行在线实时监测成为保证激光加工质量的关键。利用光电和视觉传感器监测激光加工过程中的小孔、等离子体或熔池等产生的光辐射是激光加工过程实时监测的重要方法之一。由于监测信号中的等离子体信号的强弱决定于等离子体的温度和体积；而焊接(切割)的熔深决定于“小孔”的深度，“小孔”内的材料蒸汽正是等离子体的来源。因此，一定条件下等离子体信号的有无反映是否有“小孔”形成，信号的强度则反映了熔深的大小。红外信号的强度决定于熔池的温度分布和表面积，而熔池温度分布和表面积又决定着未来焊缝的形状。在工件背面安装传感器是较容易实现过程监测的一种方法，但由于多数情况下背面传感器难以随动，该法在工程生产中应用有限。也有从工件上方侧面对等离子体或小孔进行监测的方法，但因无法直接观测小孔内部的光辐射信息，并且不能用于二维和三维的激光加工过程。因此从加工正面特别是小孔上方对小孔内部和上方的等离子体、熔池状态进行监测，提取反映加工状态的特征信号，是实现三维激光加工过程实时监测的重要前提。而现有同轴监测技术只从熔池上方同轴采集分析一种辐射光，而不能同时采集分析熔池或等离子体辐射光，对准确判断焊接和切割质量造成困难、适用范围窄。本发明就是一种利用同轴检测装置从激光与材料作用区域正上方同时采集和分析熔池和等离子体辐射两种信号进行加工过程监测的一种方法，能够克服现有技术的缺点，可用于二维和三维激光加工过程，并且适应性好、可靠性高。

发明内容

本发明针对上述所说的现有技术的缺陷，提出了一种可用于三维激光焊接和切割等加工过程的同轴采集红外波段和等离子体辐射光信号的实时质量监测装置。

一种三维激光焊接和切割过程的实时监测装置，其特征在于：

导光镜位于激光与材料相互作用区域的正上方，用于获取熔池红外辐射和等离子体辐射光；

分光镜与导光镜位于同一光路上，用于接受从导光镜反射过来的光，其中红外辐射光透过分光镜照射至红外聚焦镜，红外光电传感器位于红外聚焦镜的焦点处，用于接收红外辐射光信号，并转化为电信号；等离子体光信号被分光镜反射，照射至等离子体聚焦镜，等离子体光电传感器位于等离子体聚焦镜的焦点处，用于接收等离子体辐射光信号，并转化为电信号；

调理电路分别与等离子体光电传感器和红外波段辐射光电传感器相连，计算机与调理电路接连，调理电路接收等离子体光电传感器和红外波段辐射光电传感器传送来的光电信号，进行放大和滤波后传送给计算机进行处理分析，得到激光加工过程的质量信息。

本装置由分光镜透射的红外波段辐射光，经红外聚焦镜聚焦到采集红外波段辐射光的光电传感器中，反射的等离子体辐射光经等离子体聚焦镜聚焦到采集等离子体辐射光的光电传感器中，红外光电传感器和等离子体光电传感器中产生的信号通过调理电路放大后输入到计算机中进行分析处理。

利用本发明的同轴检测装置，提供一种在各种三维激光加工过程中，如焊接、切割、打孔等，可实现实时质量监测且为三维激光加工过程中闭环控制提供更精确的信息以达到整个加工过程的自动化控制。

本发明其主要优越性有：

(1)同轴检测加工过程信号，实现了三维激光加工过程与质量的监测；

(2)同时监测激光加工过程中反映熔池状态的红外波段辐射光和反映小孔状态的等离子体辐射光两种光信号；

(3)在激光焊接和激光切割的过程中，能够准确检测到小孔内部的穿透状态，易于获得完全熔透的信息；

(4)从信号对焊接状态发生变化时的响应速度上看，更为灵敏地反映焊接状态的变化，有可能实现熔透监测与控制。

附图说明

激光加工实时质量检测实施方案示意图，

图1：三维激光焊接和切割过程同轴监测装置示意图。

图2：主箱体装配示意图。

图3：侧箱体装配示意图。

图4：连接板示意图。

图5：用于红外波段辐射光采集的红外光电传感器装夹筒示意图。

图6：用于等离子体辐射光采集的光电传感器装夹筒示意图。

具体实施方式

以下结合附图解释本实用新型的具体实施方式：

图1所示为三维激光焊接和切割过程同轴监测装置示意图，导光镜1由第一镜片压环12固定于第一镜片支座13上，第一镜片支座13固定于主箱体8中。激光聚焦镜9固定在喷嘴上方的机械装置中。分光镜2由第二镜片压环14固定于第二镜片支座15上，第二镜片支座15固定于侧箱体4中。连接板3连接左侧的主箱体8和右侧的侧箱体4。用于采集红外波段辐射光的红外光电传感器装夹筒5由螺栓固定在侧箱体4右侧的凸板上，用于采集等离子体辐射光的光电传感器装夹筒6由螺栓固定在侧箱体4下方的凸板上。红外光电传感器19和等离子体光电传感器26产生的信号由光缆传输到调理电路10，辅助声传感器7与调理电路10相连，提取的信息可进一步增加***监测的可靠性。信号经调理电路10放大后再输入计算机11进行处理分析，得到激光加工过程的质量信息。

图2进一步描述主箱体8装配结构，导光镜1由第一镜片压环12固定于第一镜片支座13上，第一镜片压环12有螺纹螺旋面，与第一镜片支座13拟合；第一镜片支座13为三角结构，斜面中部放置导光镜1，垂直面中部有一相应大小的园孔，水平面两侧各有一对称凸台，与主箱体8下方两侧凹槽拟合。

图3表示侧箱体4装配结构，分光镜2用第二镜片压环14固定于第二镜片支座15上，第二镜片压环14有螺纹螺旋面，与第二镜片支座15拟合；第二镜片支座15为三角结构，斜面中部放置分光镜2，垂直面中部有一相应大小的小孔，水平面两侧各有一对称凸台，与侧箱体4上方两侧凹槽拟合。侧箱体4右侧和下方各有一凸板，凸板上有凹槽，红外光电传感器装夹筒5及等离子体光电传感器装夹筒6通过螺栓分别装置在凹槽中，并可沿轴线做20mm的水平移动。

图4表示连接板3结构，右图为连接板侧视图，下方螺纹孔通过螺钉与侧箱体4连接，垂直面螺纹孔通过螺钉与主箱体8连接。

图5表示用于红外波段辐射光采集的红外光电传感器装夹筒5结构，红外聚焦镜18由红外聚焦镜压盖17固定在红外光电传感器主筒16中，红外光电传感器19固定在红外传感器滑筒20中，红外传感器滑筒20在红外光电传感器主筒16中可做沿轴线50mm的水平移动。第一主筒上夹盘21、第一主筒下夹盘22和红外光电传感器主筒16三者通过螺栓连接，组成的红外光电传感器装夹筒5通过螺栓固定在侧箱体4的右侧。

图6表示用于等离子体辐射光采集的光电传感器装夹筒6结构，等离子体聚焦镜25由聚焦镜压盖24固定在光电传感器主筒23中，用于将分光镜2反射过来的等离子体光信号聚焦到等离子体光电传感器26的光敏面上；等离子体光电传感器26接收的等离子体辐射光波段为300nm～700nm；

等离子体光电传感器26固定在光电传感器滑筒27中，光电传感器滑筒27在光电传感器主筒23中可做沿轴线50mm的移动。第二主筒上夹盘28、第二主筒下夹盘29和光电传感器主筒23三者通过螺栓连接，组成的等离子体光电传感器装夹筒6通过螺栓固定在侧箱体4的下方。

为了实现本发明所述的三维激光加工过程实时质量监测方法，要用一台固体YAG或CO₂激光器及可传输激光的光路，以及光电接受元器件，信号前置处理电路与计算机信号采集***。

下面结合具体实例说明三维激光加工过程实时质量监测方法。

本发明的加工和质量的实时监测方法如下：

激光束通过导光镜后经过激光聚焦镜聚焦作用在工件上，加工过程中产生的熔池辐射和等离子体辐射光通过激光聚焦镜到导光镜上，该导光镜可反射激光作用区域产生的辐射光，辐射光经导光镜反射到分光镜，由于分光镜只允许红外波段光通过，这部分由激光作用区域产生的红外波段辐射光通过分光镜，经红外聚焦镜聚焦到采集红外波段辐射光的光电传感器中，由分光镜反射的等离子体辐射光经等离子体聚焦镜聚焦到采集等离子体辐射光的光电传感器中，两个光电传感器产生的信号分别通过调理电路放大并经过A/D转换后输入到计算机进行处理。这种同轴监测***可以直接检测小孔内部等离子体光辐射信息。

Claims (3)

1、一种三维激光焊接和切割过程的实时监测装置，其特征在于：

导光镜(1)位于激光与材料相互作用区域的正上方，用于获取熔池红外辐射和等离子体辐射光；

分光镜(2)与导光镜(1)位于同一光路上，用于接受从导光镜(1)反射过来的光，其中红外辐射光透过分光镜(2)照射至红外聚焦镜(18)，红外光电传感器(19)位于红外聚焦镜(18)的焦点处，用于接收红外辐射光信号，并转化为电信号；

等离子体光信号被分光镜(2)反射，照射至等离子体聚焦镜(25)，等离子体光电传感器(26)位于等离子体聚焦镜(25)的焦点处，用于接收等离子体辐射光信号，并转化为电信号；

调理电路(10)分别与等离子体光电传感器(26)和红外波段辐射光电传感器(19)相连，计算机(11)与调理电路(10)接连，调理电路(10)接收等离子体光电传感器(26)和红外波段辐射光电传感器(19)传送来的光电信号，进行放大和滤波后传送给计算机(11)进行处理分析，得到激光加工过程的质量信息。

2、根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：

导光镜(1)由第一镜片压环(12)固定于第一镜片支座(13)上，第一镜片支座(13)固定于主箱体(8)中；

分光镜(2)用第二镜片压环(14)固定于第二镜片支座(15)上，第二镜片支座(15)固紧于侧箱体(4)中，侧箱体(4)通过连接板(3)与主箱体(8)连接；

等离子体聚焦镜(25)装置于光电传感器主筒(23)中，用于将分光镜(2)反射过来的等离子体光信号聚焦到等离子体光电传感器(26)的光敏面上；等离子体光电传感器(26)接收的等离子体辐射光波段为300nm～700nm；

红外聚焦镜(18)装置于红外光电传感器主筒(16)中；红外光电传感器(19)装置于红外传感器滑筒(20)中。

3.按照权利要求1或2所述的监测装置，其特征在于，

第二镜片支座(15)为三角结构，斜面中部放置分光镜(2)，垂直面中部有一相应大小的园孔，水平面两侧各有一对称凸台，与侧箱体(4)上方两侧凹槽拟合；侧箱体(4)与连接板(3)通过螺栓连接，而连接板(3)通过螺栓与主箱体(8)连接；

分光镜(2)由第二镜片压环(14)固定于第二镜片支座(15)上，第二镜片压环(14)有螺纹螺旋面，与第二镜片支座(15)拟合；

红外聚焦镜(18)由红外聚焦镜压盖(17)固定在红外光电传感器主筒(16)中，红外光电传感器(19)固定在红外传感器滑筒(20)中，红外传感器滑筒(20)在红外光电传感器主筒(16)中可做沿轴线50mm的移动；第一主筒上夹盘(21)和第一主筒下夹盘(22)和红外光电传感器主筒(16)三者通过螺栓连接，组成的红外光电传感器装夹筒(5)通过螺栓固定在侧箱体(4)的右侧；

等离子体聚焦镜(25)由聚焦镜压盖(24)固定在光电传感器主筒(23)中，等离子体光电传感器(26)固定在光电传感器滑筒(27)中，光电传感器滑筒(27)在光电传感器主筒(23)中可做沿轴线50mm的移动；第二主筒上夹盘(28)、第二主筒下夹盘(29)和光电传感器主筒(23)三者通过螺栓连接，组成的等离子体光电传感器装夹筒(6)通过螺栓固定在侧箱体(4)的下方。

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