BR112012030744B1 - dispositivo de solda e processo para regular um processo de solda - Google Patents

Abstract

O INSTITUTO NACIONAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL concede a presente PATENTE DE INVENÇÃO, que outorga ao seu titular a propriedade da invenção caracterizada neste título, em todo o território nacional, garantindo os direitos dela decorrentes, previstos na legislação em vigor.

Description

Estado da técnica

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de solda. O dispositivo de solda apresenta uma fonte de radiação, sendo que, esta fonte de radiação é configurada para gerar radiação eletromagnética para ser absorvida em um objeto a ser soldado no próprio local da solda. O dispositivo de solda apresenta também ao menos um sensor que está disposto e configurado para registrar radiação eletromagnética do processo, que é gerada no processo da solda no local da solda. O sensor está configurado para que na dependência da radiação de processo captada seja gerado um sinal pelo sensor. O dispositivo de solda apresenta também uma unidade de processamento que está unida com o sensor e com a fonte de radiação, sendo que, a unidade de processamento está configurada para comandar na dependência do sinal do sensor ao menos um parâmetro da geração de radiação pela fonte de radiação. A fonte de radiação é formada, por exemplo, por um laser, especialmente um laser de dióxido de carbono, um laser YAG ou um laser semicondutor. A fonte de radiação está preferencialmente configurada para gerar de tal maneira radiação eletromagnética para a absorção no objeto a ser soldado que este objeto a ser soldado possa ser unido com outro objeto no local da solda.

[002] No dispositivo de solda acima descrito surge o problema de que com esta unidade somente podem ser detectadas falhas de processo superficiais.

Descrição da invenção

[003] De acordo com a invenção o dispositivo de solda está configurado para limitar um feixe de radiação de processo emitido em um plano transversal para com a direção da difusão de radiação por meio de uma janela, sendo que, no plano a janela apresenta uma dimensão longitudinal que é superior do que uma dimensão transversal da janela projetada perpendicularmente para com a dimensão longitudinal.

[004] Com esta janela podem ser vantajosamente registradas pelo sensor radiação de processo que são emitida por uma região em formato de furo desde o local da solda, servindo depois da captação como regulagem da grandeza de entrada do processo da solda, grandeza esta usada pela unidade de processamento. O resultado da solda é assim aperfeiçoado na qualidade. Também de forma vantajosa o resultado da solda pode também ser reproduzido de uma maneira melhor. Também vantajosamente, os resultados de solda assim produzidos apresentam em sentido recíproco uma difusão apenas reduzida, especialmente apresenta apenas diferenças reduzidas relativamente a profundidade da costura da solda e a superfície da costura da solda.

[005] Ao menos um parâmetro para a produção de radiação pode, por exemplo, ser uma intensidade de radiação, uma corrente para produzir a radiação eletromagnética, especialmente radiação laser, uma duração de um pulso de radiação de uma radiação laser pulsada ou uma intensidade média de radiação de uma radiação laser pulsada dentro de um intervalo de tempo.

[006] Em uma modalidade preferida, o dispositivo de solda apresenta meios condutores de radiação que são configurados para conduzir para o sensor a radiação de processo emitida pelo local da solda. Os meios condutores de radiação podem, por exemplo, ser configurados por um feixe de fibras de vidro que é configurado e disposto para conduzir a radiação de processo emitida pelo local da solda até o sensor. Pelos meios condutores de radiação o sensor poderá vantajosamente ser protegido contra radiação térmica transmitida pelo local da solda ou contra a formação de centelhas.

[007] Em uma modalidade vantajosa do dispositivo de solda, nos percursos de radiação entre a fonte de radiação e o local da solda, está integrado um divisor de radiação. O divisor de radiação está configurado para transmitir a radiação eletromagnética, emitida pela fonte de radiação, até o local da solda e refletir a radiação de processo, emitida pelo local da solda, e fazer a condução ao menos de forma indireta para o sensor. O divisor de radiação pode, por exemplo, ser formado por um espelho semipermeável. Vantajosamente o divisor de radiação faz com que a radiação de processo possa ser recebida distanciada do local da solda.

[008] Em uma modalidade preferida, a janela é formada por um diafragma no percurso de radiação de processo. O diafragma pode estar integrado, por exemplo, entre o local da solda e o divisor de radiação, entre o divisor de radiação e o sensor ou entre o divisor de radiação e o meio condutor de radiação.

[009] Segundo uma modalidade preferida do dispositivo de solda, a janela é formada por um feixe de fibra de vidro especialmente flexível com seção transversal de entrada de radiação em formato de janela. Pela conformação da janela por meio de um feixe de fibras de vidro com seção transversal com entrada de radiação em formato de janela, pode-se vantajosamente dispensar diafragmas separados nos percursos de radiação, de maneira que, adicionalmente pode ser usada de forma vantajosa, para conduzir a radiação de processo pelo meio condutor de radiação para o sensor, uma seção transversal eficaz integral do meio condutor de radiação para o efeito de conduzir a radiação de processo. O meio condutor de radiação pode, por exemplo, apresentar uma área de saída transversalmente para com a direção de radiação, a qual apresenta um formato diferente da seção transversal de entrada de radiação, por exemplo, um formato redondo.

[0010] Em uma modalidade preferida, a janela apresenta uma seção transversal oval. De acordo com a invenção foi reconhecido que a radiação de processo transmitidos por uma região tipo um furo, que se estendem em sentido contrário a direção de incidência de radiação eletromagnética transmitidos pela fonte de radiação, em um plano perpendicular para com a direção de incidência de radiação eletromagnética, uma região superficial com densidade de radiação essencialmente igual no plano que é transpassado e que apresenta um formato oval ou elíptico.

[0011] Quando esta radiação de processo for captada por um feixe de fibra de vidro, ou seja, por um sensor com uma janela de entrada de radiação redonda, apenas uma parcela de radiação de processo será aproveitada para ser recebida como parâmetro de entrada para a regulagem do processo da solda.

[0012] O dispositivo de solda pode apresentar, por exemplo, dois sensores reciprocamente diferentes para o registro de radiação de processo. De preferência, os sensores apresentam sensibilidades espectrais recíprocas diversificadas para a radiação de processo. Desta maneira, podem ser formados vantajosamente outros parâmetros para regular o processo da solda.

[0013] A invenção também abrange um processo para solda, especialmente para a regulagem de um processo de solda.

[0014] No processo para a regulagem da solda será gerada radiação eletromagnética, especialmente radiação laser, sendo enviada para um objeto em um local onde está sendo feita a solda, a fim de ser ao menos parcialmente absorvida no local da solda e para aquecer o objeto no local da solda e para fundi-lo ao menos parcialmente. No processo será captada radiação de processo eletromagnética emitida pelo local da solda e na dependência dessa radiação de processo captada, será modificado ao menos um parâmetro para produzir a radiação eletromagnética e, desta maneira, é influenciado o processo da solda, especialmente um resultado do processo da solda. Durante o processo, preferencialmente a radiação de processo será limitada por uma janela em um plano transversal para com a direção da difusão da radiação, de maneira que, a radiação de processo transmitida por apenas um furo no local da solda é captada para influência da solda.

[0015] Preferencialmente, o parâmetro é uma intensidade de radiação eletromagnética. Em outra modalidade, a radiação eletromagnética é pulsada e o parâmetro é uma duração de um pulso individual de radiação eletromagnética pulsada.

[0016] Em seguida a invenção será descrita com base em figura e outros exemplos de execução. Outras formas de realização vantajosos do dispositivo de solda, relativamente ao processo, resultam das características mencionadas na descrição das figuras.

[0017] A figura 1 apresenta esquematicamente um exemplo de execução para um dispositivo de solda que está configurado para avaliar radiação de processo emitida por uma região em forma de furo, através de uma janela de conformação elipsóide, e avançar os dados até o sensor;

[0018] a figura 2 apresenta um exemplo de execução com dois diagramas que apresentam uma radiação de processo emitida no local da solda em direções de registro reciprocamente diferenciadas;

[0019] a figura 3 apresenta um exemplo de execução de uma região superficial que é atravessada por uma região em formato de furo por uma radiação de processo emitida em um local de solda, comparado com uma janela de entrada de radiação de um meio condutor de radiação convencional.

[0020] A figura 1 apresenta um dispositivo para solda 1. O dispositivo para solda apresenta uma fonte de radiação 10. Neste exemplo de execução a fonte de radiação 10 é formada por um laser. A fonte de radiação 10 é configurada para gerar e emitir radiação eletromagnética 12 que podem ser absorvidos em um local de solda de um objeto 20 a ser soldado onde podem produzir a fusão de ao menos um material do objeto a ser soldado. O dispositivo de solda apresenta também um sensor 14 que é configurado para registrar radiação de processo 16 enviados pelo local da solda 50 e gerar um sinal do sensor na dependência de radiação de processo captada, sinal este que representa uma intensidade de radiação de processo captada.

[0021] O dispositivo de solda 1 é configurado para conduzir a radiação de processo 16 através de um divisor de radiação 28 e um meio defletor de radiação, especialmente um espelho defletor 30, bem como através de uma unidade de focalização 42, para uma janela 18. A janela 18 é formada por uma área de entrada de radiação de um meio condutor de radiação 24. O meio condutor de radiação 24 é formado por um feixe de fibra de vidro que é configurado com especial flexibilidade, sendo configurado para conduzir a radiação de processo 16 da janela 18 até uma saída 25 do meio condutor de radiação 24. A saída 25 apresenta, por exemplo, uma seção de saída redonda.

[0022] O divisor de radiação 28 está configurado para transmitir a radiação 12, gerada pela fonte de radiação 10, até o local da solda 50 e para refletir radiação de processo 16, emitida pelo local da solda 50, e que se estendem em direção oposta a uma direção de radiação 12.

[0023] Está integrado no percurso de radiação entre o local da solda 50 e o divisor de radiação 28 um meio de focalização, especialmente uma lente 26.

[0024] A unidade de focalização 42 está unida com um dispositivo de reajuste 44 que está configurado para que através de um motor regulador 46 e de um motor regulador 48 produzir o deslocamento de ao menos uma parte da unidade de focalização, configurada para conduzir a radiação, ao menos em um plano transversal para com a direção de radiação de processo 16. Desta maneira, através do dispositivo de regulagem 44, a radiação de processo de 16 emitida pelo local da sol da, por meio de um deslocamento dos meios condutores de radiação da unidade de focalização 42, poderá ser de tal modo regulado no plano que a radiação de processo 16 são reproduzidos exatamente na janela 18.

[0025] O dispositivo de solda 1 apresenta uma unidade de processamento 15 que através de uma linha de conexão 64 está ligada com a unidade de focalização 42 e assim, através da geração de sinais de comandos correspondentes, podem ativar o dispositivo de regulagem 44, especialmente os motores reguladores 46 e 48, para movimentar os meios condutores de radiação da unidade de focalização 42.

[0026] Através de uma linha de conexão 66, a unidade de processamento está unida na parte da saída com uma fonte de luz 40. A fonte de luz 40 é formada, por exemplo, por uma lâmpada, um diodo lu- minescente ou um diodo laser.

[0027] A fonte luminosa 40 é formada para gerar a radiação luminosa 43. O dispositivo de processo 1 está configurado para conduzir a radiação luminosa 43 contrária à direção de radiação de processo 16 pelo meio condutor de radiação 24, atravessando a unidade de focalização 42, sobre o espelho defletor 30 para o divisor de radiação 28, de maneira que, a radiação luminosa incide no local da solda 50 em direção inversa da projeção de radiação de processo 16.

[0028] No lado da entrada, a unidade de processamento está unida com uma interface de usuário 68. A interface de usuário 68 apresenta um elemento de comando 69 em conformação de uma vara. A interface de usuário 68 está configurada para que na dependência do movimento especialmente um movimento giratório do elemento de comendo 69, gerar um sinal de interação de usuário, transmitindo este sinal no lado da saída para a unidade de processamento 15.

[0029] A unidade de processamento 15 está configurada, na dependência do sinal de interação de usuário recebido no lado da entra- da - e, deste modo, na dependência do movimento giratório do elemento de comando 69 em formato de vara - para gerar sinais de comandos correspondentes e enviar estes sinais através da linha de conexão 64 para a unidade de focalização 42 para o efeito de ativação dos motores reguladores 46 e 48. Através do elemento de comando 69 e da interface de usuário 68, desta maneira a radiação de luz 43 gerada pela fonte de luz 40 - em sentido inverso para com a direção de radiação de processo 16 - poderá ser focalizada pelo dispositivo de ajuste 44 no local da solda 50. Desta maneira, o dispositivo de solda pode ser calibrado de forma simples através da radiação luminosa 43 visível, da maneira que, a radiação de processo 16 que é refletida no divisor de radiação 28 e no meio condutor de radiação 30 e que atravessa a unidade de focalização, para que possa ser conduzida através do meio condutor de radiação 24 até o sensor 14. Para tanto, o dispositivo de solda 1 apresenta uma outra unidade de focalização 34, uma outra unidade de focalização 36 e uma outra unidade de focalização 38. Além disso, o dispositivo de solda 1 apresenta um divisor de radiação 32 que está configurado e disposto para refletir radiação de processo 16 emitida pela unidade de focalização 34 no lado da saída e para avançar esta radiação de processo 16 refletida para a unidade de focalização 36 no lado da entrada. A unidade de focalização 36 está configurada para encaminhar a radiação de processo 16 recebida no lado da entrada até o sensor 14 e ali fazer a reprodução.

[0030] A unidade de focalização 38 está configurada para enviar a radiação luminosa 43, gerada pela fonte de luz 40, até o divisor de radiação 32, o qual, está configurado para transmitir a radiação luminosa 43, encaminhando esta radiação até a unidade de focalização 34.

[0031] As unidades de focalização 34, 36, 38 e 42 apresentam sempre, por exemplo, ao menos uma lente que está configurada para enfeixar a radiação de processo e/ou a radiação luminosa 43, emitindo esta radiação no lado da saída como feixe de radiação.

[0032] No lado da saída, através de uma linha de conexão 60, a unidade de processamento 15 está unida com a fonte de radiação 10. A unidade de processamento 15 está configurada - na dependência de um sinal de sensor recebido no lado da entrada através da linha de conexão 62 - gerar um sinal de comando para a ativação da fonte de radiação 10, e avançar este sinal no lado da saída para a fonte de radiação 10. O sinal de comando para a ativação da fonte de radiação 10 pode representar, por exemplo, uma intensidade dia radiação 12. Através do dispositivo de solda 1 assim configurado torna-se possível calibrar, vantajosamente, através da interface de usuário 68 e da fonte luminosa 40 a focalização de radiação de processo 16 no sensor 14, especialmente sobre a janela 18, por exemplo, antes do início de um processo de solda ou na calibragem inicial após a formação do dispositivo de solda. Por meio da janela 18 podem ser conduzidos para o sensor 14, vantajosamente, somente a radiação de processo 16, emitida por uma região em formato de furo 52, através do meio condutor de radiação 24, da unidade de focalização 34, através do divisor de radiação 33 e pela unidade de focalização 36.

[0033] Desta maneira, o sinal do sensor 14 representa apenas a radiação de processo 16, emitida pela região em formato de furo 52. Assim sendo a unidade de processamento 15 somente poderá regular na dependência de radiação de processo transmitida pela região em formato de furo 52, o processo da solda para unir o objeto 20 com o outro objeto 22.

[0034] Por exemplo, a unidade de processamento 15 é constituída de um microprocessador, um microcontrolador ou um FPGA (Field- Programmable-Gate-Array/Conjunto de Porta Programável no Campo).

[0035] A figura 2 apresenta um diagrama 70 e um digrama 72. O diagrama 70 apresenta uma abscissa e uma ordenada 77. O diagrama 27 apresenta uma abscissa 74 e uma ordenada 76.

[0036] A abscissa 74 apresenta um deslocamento dos meios condutores de radiação da unidade de focalização 42, mostrado na figura 1, no plano que é atravessado pela radiação de processo 16, ao longo de um primeiro eixo translacional, sendo que, a abscissa 75 representa um deslocamento dos meios condutores de radiação da unidade de focalização 42, ao longo de um segundo eixo translacional que se projeta perpendicularmente para com o primeiro eixo translacional no plano de deslocamento.

[0037] O deslocamento está registrado em abscissas 74 e 75 sempre em micrometros. As ordenadas 76 e 77 representam uma focalização dos meios condutores de radiação da unidade de focalização 42 ao longo de um eixo translacional que se projeta na direção de radiação de processo e, portanto, perpendicularmente para com o primeiro e o segundo eixo translacional.

[0038] O diagrama 70 apresenta um par de curvas, abrangendo as curvas 86 e 89, que representa a mesma densidade de radiação de processo recebida pelo sensor 14. O diagrama 70 também apresenta um par de curvas abrangendo as curvas 87 e 90 que representam uma densidade de radiação registrada pelo sensor 14 na figura 1 e que é menor do que a densidade de radiação representada pelas curvas 86 e 90.

[0039] O diagrama 70 apresenta também um par de curvas abrangendo as curvas 88 e 91 que representam uma densidade de radiação que é menor do que a densidade de radiação representada pelas curvas 87 e 90. Pode ser visto uma distribuição simétrica da densidade de radiação ao longo de uma direção de focalização em sentido perpendicular para com o primeiro e o segundo eixo translacional.

[0040] O diagrama 72 apresenta um par de curvas, abrangendo as curvas 80 e 83, outro par de curvas abrangendo as curvas 81 e 84 e outro par de curvas abrangendo as curvas 82 e 85. As curvas 80 e 83 representam locais de focalização com a mesma densidade de radiação, por exemplo, captado pelo sensor 14 na figura 1. As curvas 81 e 84 representam locais de focalização com a mesma densidade de radiação. As curvas 82 e 85 representam sempre locais de focalização com a mesma densidade de radiação que é menor do que a densidade de radiação, representadas pelas curvas 81 e 84. Também é apresentada uma região 78 que envolve uma região assimétrica da focalização. A região 78 representa uma projeção longitudinal do orifício em formato de fechadura 52 apresentado na figura 1.

[0041] A figura 3 apresenta esquematicamente um exemplo de execução para uma janela 18 que apresenta uma área de passagem para radiação de processo, sendo que, a área de passagem, em um plano perpendicular para com a radiação de processo, está de tal modo limitado que somente radiação de processo atravessa a janela 18 que é transmitida por um furo, por exemplo, do furo 52 apresentado na figura 1. A área da passagem da janela 18 neste exemplo de execução é configurada como uma elipse. Também é apresentada uma região superficial 19 em formato circular. Esta região superficial 19 em formato circular é, por exemplo, uma área de entrada do sensor 14, mostrado na figura 1, e/ou uma área de saída da saída 25 do meio condutor de radiação 24. A janela 18 é, por exemplo, a área de entrada de radiação do meio condutor de radiação 24, apresentado na figura 1.

[0042] O meio condutor de radiação, apresentado na figura 1, mostra, por exemplo, uma área de saída que é configurada de modo correspondente a área de entrada do sensor 14, especialmente de modo correspondente a área superficial 19, mostrada na figura 3.

Claims (13)

1. Dispositivo de solda (1) com uma fonte de radiação (10), sendo que, esta fonte de radiação (10) está configurada para gerar radiação (12) eletromagnética para ser absorvida em um objeto (20,22) a ser soldado em um local de solda (50), apresentando o dispositivo de solda, um sensor (14), disposto e configurado para captar a radiação de processo (16) gerada no local de solda (50) durante a soldagem, o sensor (14) sendo configurado para gerar um sinal de sensor com base na radiação de processo (16) captada, e o dispositivo de solda (1) apresenta uma unidade de processamento (15), conectada com o sensor (14) e com a fonte de radiação (10), e sendo configurada para, na dependência do sinal do sensor, controlar ao menos um parâmetro da geração de radiação da fonte de radiação (10), caracterizado pelo fato de que o dispositivo de solda (1) está configurado para limitar um feixe de radiação de processo (16) emitido, em um plano transversal para com a direção da difusão da radiação, por meio de uma janela (18), sendo que a janela (18) apresenta no plano uma dimensão longitudinal, que é maior do que uma dimensão transversal da janela (18), que se projeta em sentido perpendicular para com a direção longitudinal.

2. Dispositivo de solda (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o dispositivo de solda (1) apresenta meios condutores de radiação (24) que são configurados para conduzirem para o sensor (14) a radiação de processo (16), emitida pelo local da solda (50).

3. Dispositivo de solda (1) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que, os meios condutores de radiação (24) apresentam um feixe de fibras de vidro que é configurado e disposto para conduzir a radiação de processo (16) emitida do local da solda (50) até o sensor (14).

4. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que, no percurso de radiação, entre a fonte de radiação (10) e o local da solda (50), está disposto um divisor de radiação (28) que é configurado para transmitir a radiação eletromagnética, emitida pela fonte de radiação, até o local da solda e para refletir a radiação de processo emitida pelo local da solda e conduzir esta radiação de forma indireta para o sensor.

5. Dispositivo de solda (1) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o divisor de radiação (28) é um espelho semipermeável.

6. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a janela (18) é formada por um diafragma no percurso de radiação de processo (16).

7. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a janela (18) é formada pelo feixe de fibras de vidro (24), sendo que, este feixe de fibras (24) apresenta uma seção transversal de entrada de radiação em formato de janela.

8. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a janela (18) possui seção transversal oval ou elíptica.

9. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a fonte de radiação é um laser, em particular um laser de dióxido de carbono, um laser YAG ou um laser semicondutor.

10. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o parâmetro é uma corrente para gerar a radiação (12) eletromagnética.

11. Dispositivo de solda (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o parâmetro é uma corrente para gerar a radiação (12) eletromagnética, especificamente radiação laser, uma duração de um pulso de radiação de uma radiação laser pulsada ou uma intensidade média de radiação de uma radiação laser pulsada dentro de um intervalo de tempo.

12. Processo para regular um processo de solda, no qual, é gerada radiação (12) eletromagnética, especialmente radiação laser, sendo enviada ao menos para um objeto em um local de solda (50) para ali, no local de solda (50), ser ao menos parcialmente absorvida e para aquecer o objeto no local de solda e para fazer a sua fusão ao menos parcial, sendo captada a radiação de processo (16) eletromagnética, emitida pelo local de solda (50), e na dependência de radiação de processo (16) captada é alterado ao menos o parâmetro da geração da radiação (12) eletromagnética para influenciar desta maneira o processo da solda, caracterizado pelo fato de que a radiação de processo (16) é limitada em um plano transversal com relação à direção de difusão de radiação por meio de uma janela (18), de modo que, apenas a radiação de processo (16) emitida por um furo no local da solda seja detectada para influenciar o processo da solda.

13. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que, o parâmetro é uma intensidade de radiação (12) eletromagnética ou uma duração de pulso de radiação (12) eletromagnética pulsada.

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