CZ2011408A3 - Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru - Google Patents

Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru Download PDF

Info

Publication number
CZ2011408A3
CZ2011408A3 CZ20110408A CZ2011408A CZ2011408A3 CZ 2011408 A3 CZ2011408 A3 CZ 2011408A3 CZ 20110408 A CZ20110408 A CZ 20110408A CZ 2011408 A CZ2011408 A CZ 2011408A CZ 2011408 A3 CZ2011408 A3 CZ 2011408A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
laser welding
laser
welding
welding device
control unit
Prior art date
Application number
CZ20110408A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ303797B6 (cs
Inventor
Jedlicka@Petr
Mrna@Libor
Rerucha@Simon
Sarbort@Martin
Original Assignee
Ústav prístrojové techniky Akademie ved CR, v.v.i.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ústav prístrojové techniky Akademie ved CR, v.v.i. filed Critical Ústav prístrojové techniky Akademie ved CR, v.v.i.
Priority to CZ20110408A priority Critical patent/CZ2011408A3/cs
Priority to EP12466014.3A priority patent/EP2543464A3/en
Publication of CZ303797B6 publication Critical patent/CZ303797B6/cs
Publication of CZ2011408A3 publication Critical patent/CZ2011408A3/cs

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0825—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a flexible sheet or membrane, e.g. for varying the focus

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Zarízení pro svarování laserem obsahuje laserový zdroj (1) a na nej navazující optiku (2) laserové svarovací hlavy (4). Optika (2) laserové svarovací hlavy (4) obsahuje zaostrovací cocku (3) a aktivní optický prvek s promennou ohniskovou délkou ovladatelnou z rídicí jednotky (9). Ke vstupu rídicí jednotky (9) je pripojen alespon jeden fotodetektor (10), usporádaný pro snímání zárení plazmatu ze svarovaného místa (11). Rídicí jednotka (9) je opatrena frekvencním analyzátorem pro vyhodnocování signálu z fotodetektoru (10). Frekvencní analyzátor je vytvoren jako jednotka Fourierovy transformace. Aktivní optický prvek je zpravidla vytvoren jako tlaková nádoba (6), jejíz jednu stenu tvorí pruzné zrcadlo (7) pro smerování a tvarování na nej dopadajícího laserového svazku (5). Tlaková nádoba (6) je napojena na regulátor (8) tlaku pro rízení tlaku uvnitr tlakové nádoby (6) pro rízení zakrivení pruzného zrcadla (7), pricemz rídicí vstup regulátoru (8) tlaku je spojen s rídicím výstupem rídicí jednotky (9). Regulátor (8) tlaku je zpravidla vytvoren jako proporcionální ventil. Fotodetektorum (10) bývají predrazeny optické filtry pro výber spektrálního pásma na fotodetektor (10) dopadajícího zárení. Zarízení pracuje tak, ze detektor (10) snímá zárení plazmatu ze svarovaného místa (11), toto zárení se analyzuje pomocí rychlé Fourierovy transformace a podle výsledku analýzy se aktivním optickým prvkem prubezne tvaruje laserový svazek (5) pro dosazení optimálního svaru.

Description

Zařízení pro svařování laserem a způsob řízení kvality svaru
Oblast techniky
Vynález se týká zařízení pro svařování laserem, které obsahuje laserový zdroj a na něj navazující optiku.
Dosavadní stav techniky
Při svařování kovového materiálu pomocí laseru o výkonu řádově kW dochází po dopadu laserového svazku na materiál k vytvoření tzv. klíčové dírky (keyhole), což je úzká kapilára vyplněná ionizovanými parami svařovaného kovu. Tyto páry či plazma se částečně dostanou i nad samotnou keyhole, kde vytvoří jasný svítící obláček. Ve svařovaném materiálu vznikne okolo keyhole oblast roztaveného kovu, která při pohybu laserového svazku podél materiálu postupně ztuhne a vytvoří samotný svar. Jeho hloubka je prakticky shodná s hloubkou keyhole. Popsaný proces se označuje jako penetrační režim svařování.
Vznik keyhole je podmíněn dostatečnou hustotou energie v dopadajícím laserovém svazku. Pokud je tato podmínka splněna, lze dosáhnout relativně hlubokých svarů. Pokud tato podmínka splněna není, k vytvoření keyhole vůbec nedojde. Vznikne pouze oblast roztaveného kovu, jejíž hloubka je relativně malá. Při pohybu laserového svazku kov opět ztuhne a vytvoří svar. Tento proces se označuje jako kondukční režim svařování.
V průběhu svařování může dojít k různým svarovým vadám, jako jsou pokles hloubky průvaru, pórovitost svaru atd. V současnosti existuje několik metod, které jsou schopné více či méně spolehlivě různé typy vad ve svařovacím procesu detekovat v reálném čase. Tyto metody jsou většinou založeny na analýze intenzity záření, které vychází z obláčku plazmatu nad keyhole nebo přímo z roztaveného kovu v okolí keyhole.
V průmyslové praxi se v současnosti vyskytují především takové svařovací systémy, které umožňují nastavit svařovací parametry, jako jsou
- 2 - ‘ * í '<*«<< ,,, výkon laseru, svařovací rychlost, poloha roviny ohniska vůči povrchu svařovaného materiálu, pouze před začátkem svařování. Během samotného svařování jejich nastavení nelze měnit, svařovací proces tedy v průběhu svařování není aktivně řízen. A to i přesto, že pro průmyslové aplikace jsou dosažení a udržení potřebné hloubky a kvality svaru klíčovými požadavky na svařovací proces.
Nevýhodou současného stavu je, že se hodnoty svařovacích parametrů, jako jsou výkon laseru, svařovací rychlost, poloha roviny ohniska vůči povrchu svařovaného materiálu, kterým odpovídá požadovaná hloubka a kvalita svaru, určují experimentálně, zpravidla pomocí relativně velkého množství testovacích svarů. Tento postup je poměrně zdlouhavý a zároveň nemusí být zcela spolehlivý.
Pomocí testovacích svarů experimentálně zjištěné optimální hodnoty svařovacích parametrů je většinou nutné na svařovacím systému pevně nastavit před začátkem svařování. V jeho průběhu pak nelze jejich nastavení měnit, svařovací proces tedy není aktivně řízen.
S nemožností aktivně řídit svařovací proces souvisí hlavní nevýhoda současných metod na detekci vad během svařovacího procesu, která spočívá v neschopnosti na případnou vadu reagovat v reálném čase nebo jí dokonce předcházet.
Další nevýhodou metod používaných k detekci vad je, že jsou většinou založeny na srovnávání průběhu určité vyhodnocované veličiny s průběhem této veličiny u srovnávacího svaru, který byl pořízen někdy dříve a je označován za optimální, s požadovanou hloubkou a kvalitou svaru. Takový postup nemusí být spolehlivý.
Podstata vynálezu
Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje zařízení pro svařování laserem, obsahující laserový zdroj a na něj navazující optiku laserové svařovací hlavy, podle vynálezu, jehož podstatou je, že optika laserové svařovací hlavy obsahuje zaostřovací čočku a aktivní optický prvek s proměnnou ohniskovou délkou ovladatelnou z řídicí jednotky, přičemž ke vstupu řídicí jednotky je připojen alespoň jeden fotodetektor, uspořádaný pro snímání záření plazmového obláčku ze svařovaného místa, a řídicí jednotka je opatřena frekvenčním analyzátorem pro vyhodnocování signálů z fotodetektorů.
Ve výhodném provedení zařízení pro svařování laserem je aktivní optický prvek vytvořen jako tlaková nádoba, jejíž jednu stěnu tvoří pružné zrcadlo pro směrování a tvarování na něj dopadajícího laserového svazku. Tato tlaková nádoba je napojena na regulátor tlaku pro řízení tlaku uvnitř tlakové nádoby pro řízení zakřivení pružného zrcadla. Řídicí vstup regulátoru tlaku je přitom spojen s řídicím výstupem řídicí jednotky.
V dalším výhodném provedení zařízení pro svařování laserem je zaostřovací čočka pohyblivá ve směru osy jí procházejícího laserového svazku.
Regulátor tlaku je s výhodou vytvořen jako proporcionální ventil.
Aktivní optický prvek může být vytvořen i jako objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností.
Je rovněž výhodné, je-li frekvenční analyzátor vytvořen jako jednotka Fourierovy transformace.
Tlaková nádoba může být připojena ke vzduchovému nebo kapalinovému čerpadlu.
Dalším výhodným prvkem se u zařízení pro svařování laserem ukázalo být uspořádání vzduchové trysky u svařovaného místa nasměrované nad svařované místo pro ochranu zaostřovací čočky před rozstřikem kovu ze svarové lázně.
V praxi se rovněž ukázalo výhodné uspořádat mezi zaostřovací čočkou a svařovaným místem clonu pro oddělení prostoru vzduchové trysky od prostoru svařovaného místa.
-4Dalším opatřením zlepšujícím chod zařízení pro svařování laserem se ukázala být tryska ochranného plynu uspořádána u svařovaného místa a nasměrovaná ke svařovanému místu pro ochranu svaru před oxidací.
V jiném výhodném provedení zařízení pro svařování laserem podle vynálezu je aktivní optický prvek vytvořen jako pružné zrcadlo pro směrování a tvarování na něj dopadajícího laserového svazku, opatřené elektromechanickou jednotkou pro tvarování zakřivení pružného zrcadla, přičemž řídicí vstup elektromechanické jednotky je spojen s řídicím výstupem řídicí jednotky.
Zvláště výhodným se pak ukázalo předřazení optických filtrů před fotodetektory, které pak umožňují výběr spektrálního pásma na fotodetektor dopadajícího záření.
Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje rovněž způsob řízení kvality svaru při svařování výše uvedeným zařízením, při němž se snímá záření plazmového obláčku ze svařovaného místa, z frekvenčního spektra tohoto záření se nejdříve vypočtou součty Aj amplitud ve vybraných frekvenčních pásmech i, kde A je součet amplitud ve vybraném frekvenčním pásmu i a i je přirozené číslo, vypočtou se hodnoty vybraných poměrů Aj/Aj, kde j je přirozené číslo odlišné od i, načež se tvar a ohnisková délka svařovacího svazku řídí podle hodnot zjištěných poměrů Aj/Aj.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiloženého výkresu, na němž je znázorněno příkladné provedení zařízení pro svařování laserem podle vynálezu.
Příklady provedení vynálezu
Na obrázku je schematicky znázorněno příkladné provedení zařízení pro svařování laserem podle vynálezu. Toto zařízení obsahuje zdroj 1. laseru a na něj navazující optiku 2 laseru, která obsahuje zaostřovací čočku 3, upevněnou ve
-5svařovací hlavě 4 a pohyblivou ve směru osy jí procházejícího laserového svazkuji, a aktivní optický prvek. Aktivní optický prvek je v tomto příkladném provedení vytvořen jako tlaková nádoba 6, jejíž jednu stěnu tvoří pružné zrcadlo 7 pro zaostřování a tvarování na něj dopadajícího laserového svazku J. Odrazná plocha pružného zrcadla_7 je na vnějším plášti tlakové nádoby 6. Tato tlaková nádoba 6 je přes regulátor 8. tlaku napojena na čerpadlo 17 pro vytváření tlaku uvnitř tlakové nádoby pro řízení zakřivení pružného zrcadla J. Regulátor _8 tlaku může být realizován například jako proporcionální ventil. Řídicí vstup regulátoru 8 tlaku je spojen s řídicím výstupem řídicí jednotky 9. Zakřivení odrazné plochy pružného zrcadla 7, které je na vnějším plášti tlakové nádoby 6, je ovladatelné prostřednictvím řízení tlaku v tlakové nádobě 6 regulátorem J8 tlaku. Ke vstupu řídicí jednotky _9 je připojen neznázoměným optickým filtrem opatřený fotodetektor 10, uspořádaný pro snímání záření plazmatu ze svařovaného místa U. Ačkoliv je na obrázku znázorněn pouze jediný fotodetektor 10, může být těchto fotodetektorů 10 několik a každý z nich je opatřen jiným filtrem tak, aby po průchodu tímto filtrem přicházelo na daný fotodetektor 10 záření ze svařovaného místa 11 pouze ve spektrálním pásmu, které je daným filtrem propuštěné. Takto se získá několik různých hodnot, jejichž vzájemný poměr nese informaci o kvalitě svaru. Mezi zaostřovací čočkou 3, a svařovaným místem 11 je uspořádána clona 12. U svařovaného místa 11 je uspořádána vzduchová tryska 13 nasměrovaná nad svařované místo 11 pro ochranu zaostřovací čočky 3 před rozstřikem kovu ze svarové lázně. U svařovaného místa 11 je dále uspořádána tryska 14 ochranného plynu nasměrovaná ke svařovanému místu 11 pro ochranu svaru před oxidací. Řídicí jednotka 9 se nastavuje počítačem 15.
Aktivní optický prvek však může být realizován i jinými způsoby. Pružné zrcadlo 7. pro zaostřování na něj dopadajícího laserového svazkuji, nemusí být součástí tlakové nádoby 6 a může být namísto toho ovládáno mechanicky, například tlakem aktuátoru na zadní stranu zrcadla 7.
Jiný způsob realizace aktivního optického prvku představuje objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností, který umožňuje aktivní ovládání polohy čoček v něm zahrnutých. Například u svařovací hlavy 4_s připojeným optickým vláknem, kterým je přiveden laserový svazek, lze řídit vzájemnou polohu kolimační a fokusační čočky a navíc také polohu těchto čoček vzhledem ke konci optického vlákna.
V činnosti tohoto příkladného provedení zařízení pro svařování laserem podle vynálezu vysílá laserový zdroj l_laserový svazek J na tlakovou nádobu _6, od jejíhož pružného zrcadla 7 se laserový svazek 5 odrazí k pasivnímu zrcadlu 16 a odtud se laserový svazek J odrazí k zaostřovací čočce 3, upevněné ve svařovací hlavě 4. Změnou parametrů aktivního optického prvku, jako jsou změna křivosti pružného zrcadla 7 či změna vzájemné polohy čoček objektivu s proměnnou ohniskovou vzdáleností, se dosáhne změny geometrických parametrů laserového svazkuj, kdy se zároveň mění průměr a poloha ohniska a divergence laserového svazkuj. Po průchodu zaostřovací čočkouJ je původně téměř rovnoběžný laserový svazek J zaostřen a dopadne na povrch materiálu, kde dojde k vytvoření keyhole a obláčku plazmatu nad ní.
Vodorovný proud vzduchu ze vzduchové trysky 13 chrání čočku před případným rozstřikem kovu ze svarové lázně. Pro zajištění svarové lázně před oxidací je do oblasti 11 svařování pomocí trysky 14 ochranného plynu přiváděn ochranný či procesní plyn, většinou se jedná o argon nebo hélium.
Záření obláčku plazmatu je snímáno pomocí filtry opatřených fotodetektorů 10. Hodnoty intenzity jsou snímány s určitou vzorkovací frekvencí, převáděny do digitální podoby a následně digitálně zpracovány řídící jednotkou 9.
Po analýze nasnímaného časového průběhu intenzity ve výpočetním modulu řídicí jednotky 9 je z této řídicí jednotky .9 vyslán řídící signál na řídicí vstup regulátoru 8. tlaku, který řídí tlak vzduchu v aktivním optickém prvku. Změna tlaku vzduchu působícího v tlakové nádobě J na pružné zrcadlo 7 způsobí změnu jeho křivosti, což se projeví změnou geometrického tvaru a polohy zaostření laserového svazkuj. Tato změna pak vede ke změně hloubky a kvality svaru.
Hloubka a kvalita svaru závisí na zvolených hodnotách svařovacích parametrů.
Nastavením svařovacího systému je možné ovlivnit následující hodnoty: výkon laserového svazku 5, svařovací rychlost neboli rychlost posuvu laserového svazku J, polohu roviny ohniska laserového svazku 5 vůči povrchu svařovaného materiálu a tvar laserového svazkují.
Dále závisí hloubka a kvalita svaru na tepelných vlastnostech svařovaného materiálu, které jsou charakteristické pro každý svařovaný materiál, a na chemickém složení a průtoku procesního plynu, který je používán při svařování pro vytvoření ochranné atmosféry kolem keyhole.
Optickými filtry opatřené fotodetektory 10 snímají záření vycházející z obláčku plazmatu, kde se jedná především o UV a viditelné záření, a roztaveného materiálu, kde se jedná převážně o infračervené záření. Optické filtry, uspořádané mezi svařovaným místem 11 a fotodetektory 1Ό, umožňují snímat záření ve vybraných spektrálních pásmech.
Informace o průběhu svařovacího procesu je získávána pomocí signálového procesoru, který je součástí řídicí jednotky 9, z časového průběhu intenzity záření snímaného fotodetektory 10. Fotodetektory 10 mohou být umístěny na různých částech svařovacího systému, např. na svařovací hlavě 4 nebo v rámci optické soustavy ve směru přicházejícího laserového svazku .5. Různá poloha fotodetektorů 10 vzhledem ke keyhole a obláčku plazmatu umožňuje získat odlišné záznamy průběhu intenzity záření a po jejich vyhodnocení získat různé informace o stavu svařovacího procesu.
Řídící jednotka 9 na základě frekvenční analýzy záření obláčku plazmatu doprovázejícího tento svařovací režim a záření roztaveného materiálu vytváří řídící signál pro aktivní optický prvek. Vyhodnocení je založené na skutečnosti,
-8- - A.
že optimální svařovací režim je charakterizován specifickým frekvenčním spektrem snímaného signálu.
Vstupní data pro signálový procesor v daném okamžiku představuje Nbodový záznam hodnot intenzity pořízený v předchozím časovém intervalu délky T se vzorkovací frekvencí F v řádu jednotek až desítek kHz. Ze vstupních dat signálový procesor vypočte pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT) N-bodové frekvenční spektrum v rozsahu 0 - F/2 Hertzů, přičemž jednotlivé amplitudy ve frekvenčním spektru jsou normovány celkovým součtem všech amplitud. Z takto získaného frekvenčního spektra se dále vypočtou součty Aj amplitud ve vhodně vybraných frekvenčních pásmech i, kde A je součet amplitud ve vybraném frekvenčním pásmu i a i je přirozené číslo.
Signálový procesor získává v daném okamžiku informaci o svařovacím procesu z hodnot vybraných poměrů Ai/Aj, kde j je přirozené číslo odlišné od i, resp. samotných veličin Aj. Pro samotné řízení svařování v reálném čase pak využívá zjištěnou klíčovou vlastnost - v případě optimálního režimu svařování s požadovanou hloubkou a kvalitou svaru, tj. při optimálním nastavení aktivního optického elementu, nabývají poměry A/Aj, resp. veličina A,, své maximální, minimální nebo konkrétní charakteristické numerické hodnoty.
Základ řídícího algoritmu tedy spočívá ve sledování časového průběhu hodnot poměrů A/Aj, resp. veličin A,, a následném vytvoření řídícího signálu, který ovládá aktivní optický element tak, aby svařování probíhalo v optimálním režimu.
Vhodná frekvenční pásma, z nichž lze získat informaci o stavu svařovacího procesu, se mohou lišit v závislosti na svařovacích parametrech, jako jsou výkon laseru, posuvná rychlost, ochranný plyn, a vlastnostech svařovaného materiálu.
Na příklad při svařování uhlíkové oceli pomocí CO2 laseru při výkonu 2kW, posuvné rychlosti 1 m/min a ochranné atmosféře z argonu, jehož průtok činí 10 litrů/min, lze při vzorkovací frekvenci 20 kHz sledovat průběh veličiny
-9- .υ ř 5
Ai vypočtené pro frekvenční pásmo 2 f 4 kHz, přičemž optimální režim svařování nastává při maximální hodnotě této veličiny. Podobně lze vypočítat veličinu A2 pro pásmo 0,6 -r 1,2 kHz a veličinu A3 pro pásmo 1,2 1,8 kHz a sledovat hodnotu poměru A3/A2, přičemž optimální režim svařování nastává při hodnotě 1.
Hlavní výhodou zařízení pro svařování laserem podle vynálezu je vytvořená zpětnovazební smyčka, která je schopná sledovat kvalitu svaru a reagovat na ni v reálném čase.
Optimalizaci zajistí aktivní optický prvek bez nutnosti zasahovat do řízení výkonu laseru nebo do řízení relativní posuvné rychlosti svařovaného materiálu a laserového svazku 5_. U svařovacích souprav, které nejsou vyvinuty přímo s cílem měnit výkon laseru nebo posuvnou rychlost laseru během svařování, jsou takové zásahy velmi komplikované či dokonce nemožné.
Odpadá nutnost provádět mnoho testovacích svarů, neboť pro nastavené svařovací parametry, jako jsou výkon laseru a svařovací rychlost, zařízení podle vynálezu samo během jediného testovacího svaru nalezne optimální nastavení aktivního optického prvku, kterému odpovídá optimální průběh svařovacího procesu.
Průběh svařovacího procesu je neustále v reálném čase pomocí signálového procesoru analyzován a pomocí aktivního optického prvku aktivně řízen. Tři základní prvky, to jest aktivní optický prvek, senzorová jednotka a řídící jednotka, tvoří spolu s vlastním laserovým svařovacím procesem zpětnovazební smyčku umožňující vytvoření a udržení optimálních podmínek v průběhu celého procesu svařování.
Průmyslová využitelnost
Zařízení pro svařování laserem podle vynálezu lze využít zejména při průmyslovém zpracování kovů. Výhodné je to zvláště tam, kde jsou vysoké požadavky na kvalitu svaru.

Claims (15)

  1. Patentové nároky
    1. Zařízení pro svařování laserem, obsahující laserový zdroj (1) a na něj navazující optiku (2) laserové svařovací hlavy (4), přičemž optika (2) laserové svařovací hlavy (4) obsahuje zaostřovací čočku (3) a aktivní optický prvek s proměnnou ohniskovou délkou ovladatelnou z řídicí jednotky (9), přičemž ke vstupu řídicí jednotky (9) je připojen alespoň jeden fotodetektor (10), uspořádaný pro snímání záření plazmatu ze svařovaného místa (11), vyznačující se tím, že řídicí jednotka (9) je opatřena frekvenčním analyzátorem pro vyhodnocování signálů z fotodetektorů (10).
  2. 2. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že aktivní optický prvek je vytvořen jako tlaková nádoba (6), jejíž jednu stěnu tvoří pružné zrcadlo (7) pro směrování a tvarování na něj dopadajícího laserového svazku (5) a která je napojena na regulátor (8) tlaku pro řízení tlaku uvnitř tlakové nádoby (6) pro řízení zakřivení pružného zrcadla (7), přičemž řídicí vstup regulátoru (8) tlaku je spojen s řídicím výstupem řídicí jednotky (9).
  3. 3. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že zaostřovací čočka (3) je pohyblivá ve směru osy jí procházejícího laserového svazku (5).
  4. 4. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 2, vyznačující se tím, že regulátor (8) tlaku je vytvořen jako proporcionální ventil.
  5. 5. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že aktivní optický prvek je vytvořen jako objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností.
    í · ic
  6. 6. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že frekvenční analyzátor je vytvořen jako jednotka Fourierovy transformace.
  7. 7. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 2, vyznačující se tím, že tlaková nádoba (6) je přes regulátor (8) tlaku připojena k čerpadlu (17).
  8. 8. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 7, vyznačující se tím, že čerpadlo (17) je kapalinové čerpadlo.
  9. 9. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 7, vyznačující se tím, že čerpadlo (17) je vzduchové čerpadlo.
  10. 10. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že u svařovaného místa (11) je uspořádána vzduchová tryska (13) nasměrovaná nad svařované místo (11) pro ochranu zaostřovací čočky (3) před rozstřikem kovu ze svarové lázně.
  11. 11. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 10, vyznačující se tím, že mezi zaostřovací čočkou (3) a svařovaným místem (11) je uspořádána clona (12) pro oddělení prostoru vzduchové trysky (13) od prostoru svařovaného místa (H).
  12. 12. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že u svařovaného místa (11) je uspořádána tryska (14) ochranného plynu nasměrovaná ke svařovanému místu (11) pro ochranu svaru před oxidací.
  13. 13. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že
    -12- ««' .:, aktivní optický prvek je vytvořen jako pružné zrcadlo (7) pro směrování a tvarování na něj dopadajícího laserového svazku (5), opatřené elektromechanickou jednotkou pro tvarování zakřivení pružného zrcadla (7), přičemž řídicí vstup elektromechanické jednotky je spojen s řídicím výstupem řídicí jednotky (9).
  14. 14. Zařízení pro svařování laserem podle nároku 1, vyznačující se tím, že fotodetektorům (10) jsou předřazeny optické filtry pro výběr spektrálního pásma na fotodetektor (10) dopadajícího záření.
  15. 15. Způsob řízení kvality svaru při svařování zařízením podle kteréhokoliv z nároků 1 až 14, vyznačující se tím, že se snímá záření plazmového obláčku ze svařovaného místa, z frekvenčního spektra tohoto záření se nejdříve vypočtou součty Ai amplitud ve vybraných frekvenčních pásmech i, kde A je součet amplitud ve vybraném frekvenčním pásmu i a i je přirozené číslo, vypočtou se hodnoty vybraných poměrů A/Aj, kde j je přirozené číslo odlišné od i, načež se tvar a ohnisková délka svařovacího svazku řídí podle hodnot zjištěných poměrů Ai/Aj.
CZ20110408A 2011-07-04 2011-07-04 Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru CZ2011408A3 (cs)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20110408A CZ2011408A3 (cs) 2011-07-04 2011-07-04 Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru
EP12466014.3A EP2543464A3 (en) 2011-07-04 2012-07-02 Apparatus for laser beam welding and method for controlling quality of weld

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20110408A CZ2011408A3 (cs) 2011-07-04 2011-07-04 Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ303797B6 CZ303797B6 (cs) 2013-05-09
CZ2011408A3 true CZ2011408A3 (cs) 2013-05-09

Family

ID=46800152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20110408A CZ2011408A3 (cs) 2011-07-04 2011-07-04 Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2543464A3 (cs)
CZ (1) CZ2011408A3 (cs)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5842851B2 (ja) * 2013-03-29 2016-01-13 トヨタ自動車株式会社 溶接部の検査装置とその検査方法
JP5947741B2 (ja) * 2013-03-29 2016-07-06 トヨタ自動車株式会社 溶接部の検査装置とその検査方法
JP5849985B2 (ja) * 2013-04-15 2016-02-03 トヨタ自動車株式会社 溶接部の検査装置とその検査方法
JP5929948B2 (ja) * 2014-02-28 2016-06-08 トヨタ自動車株式会社 溶接部の検査方法
CN103962734B (zh) * 2014-05-22 2015-11-18 江苏金方圆数控机床有限公司 激光切割快速变焦穿孔方法
DE102016204577B4 (de) 2016-03-18 2019-07-11 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer Schweißnaht sowie dazugehörige Verfahren zur Optimierung und Regelung von Fertigungsparametern
CN107813060A (zh) * 2016-08-30 2018-03-20 奔腾激光(温州)有限公司 一种光纤激光切割机用反射式切割头及控制方法
BE1024529B1 (fr) * 2016-09-02 2018-04-03 Centre de Recherches Metallurgiques asbl- Centrum Voor Research in de Metallurgie vzw Méthode et dispositif pour augmenter la sensibilité de la mesure en ligne de la propreté de surface des bandes d'acier
CN107716468A (zh) * 2017-10-31 2018-02-23 广东工业大学 一种激光自动聚焦方法、***、装置及可读存储介质
DE102018128377A1 (de) * 2018-11-13 2020-05-14 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas
CN114406463A (zh) * 2022-02-25 2022-04-29 上海交通大学 超高强度钢随焊超声辅助激光焊接***及方法
CN116454718B (zh) * 2023-06-13 2023-08-11 深圳市镭硕光电科技有限公司 激光器
CN117475588B (zh) * 2023-07-24 2024-05-28 苏州科技大学 一种微电子组装过程的预警监测***
CN118028802A (zh) * 2024-02-19 2024-05-14 暨南大学 真空振荡激光-感应复合熔覆可磨耗封严涂层的方法及装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4106007A1 (de) * 1991-02-26 1992-09-03 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit laserstrahlung
DE9407288U1 (de) * 1994-05-02 1994-08-04 Trumpf Gmbh & Co, 71254 Ditzingen Laserschneidmaschine mit Fokuslageneinstellung
DE19516376C2 (de) * 1995-05-04 1998-12-03 Blz Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung
RU2120364C1 (ru) * 1996-09-27 1998-10-20 Каюков Сергей Васильевич Способ импульсной лазерной сварки и установка для его осуществления
JP3484994B2 (ja) * 1998-10-12 2004-01-06 スズキ株式会社 レーザ溶接装置
JP2005219101A (ja) * 2004-02-06 2005-08-18 Nissan Motor Co Ltd レーザ加工方法およびレーザ加工ヘッド
JP5266647B2 (ja) * 2006-03-23 2013-08-21 日産自動車株式会社 レーザ溶接装置およびその調整方法
US20080223832A1 (en) * 2006-11-16 2008-09-18 Lijun Song Real time implementation of generalized predictive control algorithm for the control of direct metal deposition (dmd) process
WO2011009594A1 (de) * 2009-07-20 2011-01-27 Precitec Kg Laserbearbeitungskopf und verfahren zur kompensation der fokuslagenänderung bei einem laserbearbeitungskopf
DE102010002255A1 (de) * 2010-02-23 2011-08-25 Robert Bosch GmbH, 70469 Laserstrahlschweißeinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Laserstrahlschweißeinrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
CZ303797B6 (cs) 2013-05-09
EP2543464A2 (en) 2013-01-09
EP2543464A3 (en) 2015-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CZ2011408A3 (cs) Zarízení pro svarování laserem a zpusob rízení kvality svaru
EP3431264B1 (en) Apparatus for additevely manufacturing three-dimensional objects
Matilainen et al. Preliminary investigation of keyhole phenomena during single layer fabrication in laser additive manufacturing of stainless steel
Mazzoleni et al. Real-time observation of melt pool in selective laser melting: spatial, temporal, and wavelength resolution criteria
US6710283B2 (en) Laser weld quality monitoring method and system
US10632566B2 (en) System and method for controlling the input energy from an energy point source during metal processing
CN108802165A (zh) 具光谱超声复合在线检测功能的增材加工***及方法
US8207471B2 (en) Method for measuring phase boundaries of a material during machining with a machining beam using additional illumination radiation and an automated image processing algorithm, and associated device
Rizzi et al. Spectroscopic, energetic and metallographic investigations of the laser lap welding of AISI 304 using the response surface methodology
Meng et al. Dynamic features of plasma plume and molten pool in laser lap welding based on image monitoring and processing techniques
US20190061253A1 (en) Apparatus for additively manufacturing of three-dimensional objects
Long et al. Experimental investigation of transient temperature characteristic in high power fiber laser cutting of a thick steel plate
Zhang et al. Relationship between weld quality and optical emissions in underwater Nd: YAG laser welding
JP2019137911A (ja) ３次元の物体を付加製造する装置
CN101391344A (zh) 一种激光焊接过程稳定性实时监测方法
Mirapeix et al. Fast algorithm for spectral processing with application to on-line welding quality assurance
Tenner et al. Experimental and numerical analysis of gas dynamics in the keyhole during laser metal welding
Ancona et al. A sensing torch for on-line monitoring of the gas tungsten arc welding process of steel pipes
JP2012071340A (ja) レーザ加工装置
Eriksson Optical monitoring and analysis of laser welding
Subasi et al. Real-time measurement of laser beam characteristics for a waterjet-guided laser machine
Nilsen et al. A study on change point detection methods applied to beam offset detection in laser welding
EP3560633B1 (en) Apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects and method for determining at least one parameter of an energy beam
JP2019104230A (ja) ３次元の物体を付加製造する装置
US20210260665A1 (en) Method for operating a device for additive manufacture of a three-dimensional object

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20190704