CN103604813A - 用于激光加工过程的熔池监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于激光加工过程的熔池监测装置，在所述激光加工过程中，激光光束依次经过激光头中的准直镜、聚焦镜、保护镜和喷嘴达到基材或熔覆层的表面，以在基材或熔覆层表面形成熔池，所述熔池监测装置包括分光镜、透镜模块和采集控制系统，所述分光镜设置于所述激光头中的准直镜与聚焦镜之间，并与所述激光光束呈45°角固定设置，该熔池监测装置通过分光镜使成像光路与激光光路位于同一轴线上，且入射角相差为180°，避免了光路的相互遮挡，以使该熔池监测装置能够用于任意加工路径，并使其能够通过透镜模块及采集控制系统跟随激光头实时成像及监测熔池的各种信息，避免了人工观察监测所可能带来的误检和对监测人员造成伤害。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种用于激光加工过程的熔池监测装置。
背景技术
激光材料加工制造指通过激光光束熔化外部添加的金属或非金属材料，材料在基材表面凝固后形成熔覆层的工艺，如图1所示，激光光束1经过激光头17达到基材19或熔覆层20上形成熔池18。激光加工的应用主要包括快速成型、熔覆和修复。相对于传统的机械加工或者电弧焊接等工艺，激光加工有独特的优势和广泛的应用前景。
但是，现有的激光加工过程工艺具有很大的不稳定性。主要原因包括激光与材料作用机理的复杂性，复杂零件热吸收的不均匀性，激光功率、执行机构运动速度、送粉速率、保护气等工艺参数的不稳定性。这种不稳定性通常会导致被加工零件的各种缺陷或者加工过程的非正常中断。典型的零件缺陷包括不充分熔融、气孔、塌陷、裂纹、氧化等。典型的过程中断包括激光束偏离基材、光学镜片烧毁、基材高度反射、喷嘴与工件碰撞、喷嘴堵塞、保护气管道损坏、冷却水泄露等。激光增材制造的不稳定特性限制了其在现代工业中的大规模应用。
目前，激光加工过程缺少有效的自动化质量检测手段，主要依靠操作人员肉眼观察并判断工艺进行状况。但是，长时间的频繁观察大大增加工人疲劳度，而且激光加工中基材19或熔覆层20反射的激光和熔池18本身辐射的强光对观察者的眼睛有很大的损伤，另外，人工观察的偶然性和滞后性经常会造成被加工工件、材料甚至设备的损失。
发明内容
本发明提供一种用于激光加工过程的熔池监测装置，以代替人工观察监测，解决现有技术中由于人工观察监测的各种缺点而导致的加工质量不高、容易发生缺陷的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于激光加工过程的熔池监测装置，在所述激光加工过程中，激光光束依次经过激光头中的准直镜、聚焦镜、保护镜和喷嘴达到基材或熔覆层的表面，以在基材或熔覆层表面形成熔池，所述熔池监测装置包括分光镜、透镜模块和采集控制系统，所述分光镜设置于所述激光头中的准直镜与聚焦镜之间，并与所述激光光束呈45°角固定设置，所述分光镜使所述激光光束与从所述熔池处反射过来的可见光位于同一轴线上，其入射角相差180°，所述可见光通过所述透镜模块聚焦并进行光学成像以得到一光信号，所述采集控制系统用于采集所述光信号，并对其进行处理以实时反馈所述熔池处的图像信息。
进一步的，所述激光光束从所述激光头的上方向下射入所述激光头，所述透镜模块位于所述激光头的一侧，所述分光镜透射所述激光光束使其达到基材或熔覆层的表面，并反射从所述熔池处反射过来的可见光使其进入所述透镜模块。
进一步的，所述激光光束从所述激光头的一侧射入所述激光头，所述透镜模块位于所述激光头的上方，所述分光镜反射所述激光光束使其达到基材或熔覆层的表面，并透射从所述熔池处反射过来的可见光使其进入所述透镜模块。
进一步的，所述透镜模块包括滤光片、第一透镜组、光圈、反光镜和第二透镜组，所述可见光依次经过所述滤光片、第一透镜组和光圈进行聚焦，并在通过所述反光镜反射后，经过所述第二透镜组完成光学成像以得到所述光信号。
进一步的，所述熔池监测装置还包括照明模块，所述照明模块设置于所述激光头与所述透镜模块之间，所述照明模块用于增加所述可见光的光线强度。
进一步的，所述照明模块包括照明光源和半反射镜，所述半反射镜与从所述照明光源中射出的照明光呈45°角固定设置，并将所述照明光中的一半反射向所述熔池。
可选的，所述照明光源为LED照明灯。
可选的，所述照明光源为带有散斑衰减器的激光。
进一步的，所述采集控制系统包括工业摄像机、图像采集卡和计算机，所述工业摄像机用于把所述光信号转换成电信号，所述图像采集卡通过电缆将所述电信号传输到所述计算机上，并在所述计算机上进行所述熔池处的图像成像及信息显示工作。
进一步的，所述计算机与所述激光头的运动控制系统电信连接，所述计算机根据反馈的图像及信息实时控制所述运动控制系统调整所述激光头的运动轨迹，并在其接收到的信息出现异常时发出警报。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的用于激光加工过程的熔池监测装置通过分光镜使成像光路与激光光路位于同一轴线上，且入射角相差为180°，避免了光路的相互遮挡，以使该熔池监测装置能够用于任意加工路径，并使其能够通过透镜模块及采集控制系统跟随激光头实时成像及监测熔池的各种信息，避免了人工观察监测所可能带来的误检和对监测人员造成伤害。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为现有技术中激光加工过程的示意图；
图2为本发明实施例一提供的用于激光加工过程的熔池监测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的用于激光加工过程的熔池监测装置的结构示意图。
在图1至图3中，
1：激光光束；2：准直镜；3：分光镜；4：聚焦镜；5：保护镜；6：喷嘴；7：照明光源；8：半反射镜；9：滤光片；10：第一透镜组；11：光圈；12：反光镜；13：第二透镜组；14：工业摄像机；15：图像采集卡；16：计算机；17：激光头；18：熔池；19：基材；20：熔覆层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于激光加工过程的熔池监测装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，提供一种用于激光加工过程的熔池监测装置，在所述激光加工过程中，激光光束依次经过激光头中的准直镜、聚焦镜、保护镜和喷嘴达到基材或熔覆层的表面，以在基材或熔覆层表面形成熔池，所述熔池监测装置包括分光镜、透镜模块和采集控制系统，所述分光镜设置于所述激光头中的准直镜与聚焦镜之间，并与所述激光光束呈45°角固定设置，所述分光镜使所述激光光束与从所述熔池处反射过来的可见光位于同一轴线上，其入射角相差180°，所述可见光通过所述透镜模块聚焦并进行光学成像以得到一光信号，所述采集控制系统用于采集所述光信号，并对其进行处理以实时反馈所述熔池处的图像信息。本发明提供的用于激光加工过程的熔池监测装置通过分光镜使成像光路与激光光路位于同一轴线上，且入射角相差为180°，避免了光路的相互遮挡，以使该熔池监测装置能够用于任意加工路径，并使其能够通过透镜模块及采集控制系统跟随激光头实时成像及监测熔池的各种信息，避免了人工观察监测所可能带来的误检和对监测人员造成伤害。
请参考图2和图3，图2为本发明实施例一提供的用于激光加工过程的熔池监测装置的结构示意图；图3为本发明实施例二提供的用于激光加工过程的熔池监测装置的结构示意图。
实施例一
如图2所示，本发明实施例提供一种用于激光加工过程的熔池监测装置，在所述激光加工过程中，激光光束1依次经过激光头17中的准直镜2、聚焦镜4、保护镜5和喷嘴6达到基材19或熔覆层20的表面，以在基材19或熔覆层20表面形成熔池18，所述熔池监测装置包括分光镜3、透镜模块和采集控制系统，所述分光镜3设置于所述激光头17中的准直镜2与聚焦镜4之间，并与所述激光光束2呈45°角固定设置，所述分光镜3使所述激光光束1与从所述熔池18处反射过来的可见光位于同一轴线上，其入射角相差180°，所述可见光通过所述透镜模块聚焦并进行光学成像以得到一光信号，所述采集控制系统用于采集所述光信号，并对其进行处理以实时反馈所述熔池18处的图像信息。
在本实施例中，所述激光光束1从所述激光头17的上方向下射入所述激光头17，所述透镜模块位于所述激光头17的一侧，所述分光镜3透射所述激光光束1使其达到基材19或熔覆层20的表面，并反射从所述熔池18处反射过来的可见光使其进入所述透镜模块。
进一步的，所述透镜模块包括滤光片9、第一透镜组10、光圈11、反光镜12和第二透镜组13，所述可见光依次经过所述滤光片9、第一透镜组10和光圈11进行聚焦，并在通过所述反光镜12反射后，经过所述第二透镜组13完成光学成像以得到所述光信号。
进一步的，所述熔池监测装置还包括照明模块，所述照明模块设置于所述激光头与所述透镜模块之间，所述照明模块用于增加所述可见光的光线强度，所述照明模块包括照明光源7和半反射镜8，所述半反射镜8与从所述照明光源7中射出的照明光呈45°角固定设置，由于其对光线的反射率和透射率都是50%，因此其能够将所述照明光中的一半反射向所述熔池，从而提高从熔池18处反射回来的可见光的光线强度。
在本实施例中，所述照明光源7为高亮度LED照明灯。高亮度LED灯具有亮度高、发散角小、亮度均匀、功耗低、发热低、寿命长等优点。可以想到的是，所述照明光源7也可为其他可提供光线强度的光源，如带有散斑衰减器的激光，用于照明的激光也具有上述优点，但是会产生散斑影响成像质量，使用散斑衰减器可以解决这个问题，故本发明也意图保护上述技术方案。
进一步的，所述采集控制系统包括工业摄像机14、图像采集卡15和计算机16，所述工业摄像机14用于把所述光信号转换成电信号，所述图像采集卡15通过电缆将所述电信号传输到所述计算机16上，并在所述计算机16上进行所述熔池18处的图像成像及信息显示工作。
进一步的，所述计算机与所述激光头的运动控制系统电信连接，所述计算机能够根据反馈的图像及信息实时控制所述运动控制系统调整所述激光头17的运动轨迹，并在其接收到的信息出现异常时，如当熔池的宽度或周长面积等过大果过小时，发出警报，该反馈补偿过程能够增加激光加工的整体质量，使基材19与熔覆层20结合紧密，且壁厚均匀。
实施例二
如图3所示，本发明实施例与实施例一相比，其技术特征基本一致，其区别仅在于：所述激光光束7从所述激光头17的一侧射入所述激光头17，所述透镜模块位于所述激光头17的上方，所述分光镜3反射所述激光光束1使其达到基材19或熔覆层20的表面，并透射从所述熔池18处反射过来的可见光使其进入所述透镜模块。
结合实施例一与实施例二能够得出本发明提供的熔池监测装置可适用于不同结构的激光头17，体现了该熔池监测装置具有较强的适应性。
综上所述，本发明实施例提供的用于激光加工过程的熔池监测装置通过分光镜3使成像光路与激光光路位于同一轴线上，且入射角相差为180°，避免了光路的相互遮挡，以使该熔池监测装置能够用于任意加工路径，并使其能够通过透镜模块及采集控制系统跟随激光头实时成像及监测熔池18的各种信息，避免了人工观察监测所可能带来的误检和对监测人员造成伤害，另外，通过反馈的图像信息，该熔池监测装置还能够控制激光头17做补偿运动，并在出现异常时及时发出警报提醒工作人员做紧急处理，以增加激光加工的质量，避免了使用人工观察监测时激光加工质量不高，容易发生缺陷的问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种用于激光加工过程的熔池监测装置，在所述激光加工过程中，激光光束依次经过激光头中的准直镜、聚焦镜、保护镜和喷嘴达到基材或熔覆层的表面，以在基材或熔覆层表面形成熔池，其特征在于，所述熔池监测装置包括分光镜、透镜模块和采集控制系统，所述分光镜设置于所述激光头中的准直镜与聚焦镜之间，并与所述激光光束呈45°角固定设置，所述分光镜使所述激光光束与从所述熔池处反射过来的可见光位于同一轴线上，其入射角相差180°，所述可见光通过所述透镜模块聚焦并进行光学成像以得到一光信号，所述采集控制系统用于采集所述光信号，并对其进行处理以实时反馈所述熔池处的图像信息。
2.根据权利要求1所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述激光光束从所述激光头的上方向下射入所述激光头，所述透镜模块位于所述激光头的一侧，所述分光镜透射所述激光光束使其达到基材或熔覆层的表面，并反射从所述熔池处反射过来的可见光使其进入所述透镜模块。
3.根据权利要求1所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述激光光束从所述激光头的一侧射入所述激光头，所述透镜模块位于所述激光头的上方，所述分光镜反射所述激光光束使其达到基材或熔覆层的表面，并透射从所述熔池处反射过来的可见光使其进入所述透镜模块。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述透镜模块包括滤光片、第一透镜组、光圈、反光镜和第二透镜组，所述可见光依次经过所述滤光片、第一透镜组和光圈进行聚焦，并在通过所述反光镜反射后，经过所述第二透镜组完成光学成像以得到所述光信号。
5.根据权利要求1至3任一项所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述熔池监测装置还包括照明模块，所述照明模块设置于所述激光头与所述透镜模块之间，所述照明模块用于增加所述可见光的光线强度。
6.根据权利要求5所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述照明模块包括照明光源和半反射镜，所述半反射镜与从所述照明光源中射出的照明光呈45°角固定设置，并将所述照明光中的一半反射向所述熔池。
7.根据权利要求6所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述照明光源为LED照明灯。
8.根据权利要求6所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述照明光源为带有散斑衰减器的激光。
9.根据权利要求1至3任一项所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述采集控制系统包括工业摄像机、图像采集卡和计算机，所述工业摄像机用于把所述光信号转换成电信号，所述图像采集卡通过电缆将所述电信号传输到所述计算机上，并在所述计算机上进行所述熔池处的图像成像及信息显示工作。
10.根据权利要求9所述的用于激光加工过程的熔池监测装置，其特征在于，所述计算机与所述激光头的运动控制系统电信连接，所述计算机根据反馈的图像及信息实时控制所述运动控制系统调整所述激光头的运动轨迹，并在其接收到的信息出现异常时发出警报。
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