CN104772568B - 激光表面处理质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种激光表面处理质量控制方法，包括：通过激光器发射入射激光，通过其内部传输光路，最后经聚焦镜聚焦到工件上；通过第一光电传感器检测出实际加工时工件的表面反射的光；通过光电转换为反射功率值；通过第二光电传感器检测传输光路中反射镜的反射镜面的渗透余光得出实际功率；分别通过数据采集单元将参数：设定功率、反射功率值、实际功率送往中央处理单元进行比对计算，并通过逻辑判断确定质量控制因子；以及将质量控制实时信息通过图像显示器显示。本发明保证激光在材料表面处理过程中的激光功率密度的高度一致以及激光焦点在材料表面的高度位置的准确性。

Description

激光表面处理质量控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光表面处理质量控制方法。

背景技术

激光表面处理技术是一项近年来逐步兴起的前沿技术，它的应用前景非常广阔，尤其在金属表面处理方面得到了大量的应用。简单来说，这种技术的原理是，使用激光束快速扫描被加工物件，使工件表面迅速熔化或通过热应力在表面形成沟槽等物理形貌，或形成不同深度的薄层，可以一定程度上取代机械表面处理或化学表面处理。后续可以采用诸如真空蒸镀、电镀等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后获得特殊性能的合金层。例如在H13钢表面采用激光快速熔融工艺进行处理，熔区具有较高的硬度和良好的热稳定性，抗塑性变形能力高，对疲劳裂纹的萌生和扩展有明显的抑制作用。又例如在某些硅钢产品表面应用激光处理，来细化硅钢的磁畴，降低成品铁损。

目前，激光表面处理技术有两种典型代表，一种是日本钢厂在上世纪七十年代首先采用的，用多个小功率的激光器排列成一维或两维阵列，每个激光器可以扫描一定幅段的长度。当被加工件宽度增加时，每一排激光器的数量增加；当被加工件运动速度增加时，激光器的排数增加。这种技术存在以下不足：1)由于每个激光器的功率及聚焦透镜不可能制造的完全一致，被加工件上的扫描线段也不可能完全一致，这就会导致最终处理终端上每个位置的处理质量不一样；2)由于需要的激光器的个数多，特别是被加工件处于动态且运动速度很高时，甚至需要上百台激光器，如此众多的激光器无疑增加了现场监控、维护的难度；3)某些被加工件表面会附有特殊材料的涂层(如钢板表面的绝缘涂层)，这种处理技术会破坏涂层。

随着激光技术的进步，千瓦级高光束质量的激光器的出现，使得采用一台激光器来实现高速度扫描成为可能。德国ILT和Thyssen钢厂在上世纪九十年代联合研制成功先进的导光系统，利用光学扫描多面镜及能获得特殊聚焦光斑的光学聚焦系统来高速度扫描被加工件表面，该方法克服了早期的采用多个小功 率激光器所带来的缺点，同时具备无损伤、高速度、处理质量均匀且维护简单等优点，目前世界上越来越多的企业都采用这种技术。

由于影响激光表面处理质量的因素较多，如激光光斑形状和大小、激光焦点位置、激光功率、激光扫描速度、绝缘层材料及厚度、被加工件材料及规格等等，这些复杂因素的影响最终决定了激光在工件上处理的效果。另一方面，激光处理现场环境比较恶劣，温度高、湿度大，处理过程中产生的粉尘等异物会在激光的作用下损坏飞行光束传输中的反射镜、聚焦镜，使飞行光束传输的激光的光束质量变差，导致激光光束发散角变大，光斑形变，激光功率降低、激光强度分布不均等一系列激光光束上的问题。目前的大型激光表面处理系统都没有主动监测装置，也没有监测闭环控制系统，无法对在线的表面处理状态进行在线评估，加上该技术的处理效率高、加工速度快，一旦出现问题，产品的废品率极高。为防止大批量质量事故的发生，就需要人工做大量的非在线检测工作，检测周期非常长，耽误了工期，也浪费极大的人力、物力及时间。

中国专利申请201010515025.7公开了一种激光检测技术，用于检测倍频激光器的功率，其原理是将倍频之前的激光分出一束来,由探测器进行光强和功率的测量与控制。这种技术能够起到很好地监控实际输出功率的作用,但仅仅是一种监控光源输出功率的手段，并无法系统的对于对实际加工质量做出检测和判定。

基于大型高功率激光加工系统在使用中出现的问题，除了保障激光光路中的温度、湿度、粉尘等外界因数控制在设备要求的范围内外，最关键的还要保证激光处理过程中材料表面的激光功率密度一致，那么就必须通过监测加工时产生的弧光的强弱来分辨激光焦点是否在材料表面上。激光加工系统中光路传输的有效性,聚焦光斑大小,焦点高度位置等关键因素尤为重要,由于受到工作环境因素,使用过程中元件老化,精度调整等一系列问题,将会导致激光加工中关键因素变化较大,导致质量无法保证，目前还缺乏一种有效的质量监控方法及其在线监控系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光表面处理质量控制方法，充分考虑到激光光路周边温度、湿度、粉尘等外界因数对于激光加工质量的影响，可实时监测激光在材料表面处理过程中的激光功率密度的变化情况以及激光焦点在材料表面的高度位置即焦点平面位置的准确性，确保高速加工后良好的工艺效果。

根据本发明一方面提供一种激光表面处理质量控制方法，通过一个在线监控系统实施，该在线监控系统包括激光传输光路系统、中央处理器和图像显示器，该中央处理器包括数据采集单元和中央处理单元，所述激光表面处理质量控制方法包括：

通过激光器发射入射激光，通过其内部传输光路,最后经反射聚焦镜聚焦到工件上；

通过第一光电传感器检测出实际加工时工件的表面反射的光；

通过光电转换获得反射功率值Pf；

同时通过第二光电传感器检测传输光路中反射镜的反射镜面的渗透余光得出实际功率Pt；

分别通过数据采集单元将参数：设定功率Ps、反射功率值Pf、实际功率Pt送往中央处理单元进行比对计算，并通过逻辑判断确定质量控制因子；

将质量控制实时信息通过图像显示器显示。

所述中央处理单元逻辑判断算法及逻辑判定根据以下公式进行：

S1＝(Ps-Pt)/Ps×100％；S2＝Pf×Kn/Pt×100％：

其中，S1:功率损失质量因子；Ps：设定功率；Pt：实际功率；S2:焦点偏离质量因子；Pf：反射功率值；Kn(n＝1,2,3..)：K为反射激光功率修正因子，n对应不同材料。

当S1<10％时，判定功率损失质量因子符合工艺质量要求；当S1>10％时，判定功率损失质量因子异常,不符合工艺质量要求,报警提示检查相关光学元件状态。

当90％<S2<110％时，判定焦点偏离质量因子符合工艺质量要求；当S2<90％时，判定焦点偏离质量因子异常,不符合工艺质量要求,报警提示调整焦点位置。

本发明的有益效果是：通过高速光电传感器测量加工工件表面反射功率值Pf，同时测量输出的实际功率Pt，当该实测功率、反射功率与激光设定功率Ps比值超出一定范围，判定功率输出存在问题或焦点位置偏离，系统会自动报警，通过该方法进行实时现状准确的监控，可规避生产出大量的次品，保障了工艺的可靠性及加工效率；同时可避免了工作环境以及设备的非正常工作给激光处理工艺带来的极大损失，可以减少问题的产生以及在发现问题时，给解决问题时对症下药带来了极大的方便。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种激光表面处理质量在线监控系统的布置示意图；

图2是本发明一个实施例的一种激光表面处理质量控制方法的示意图；

图3是本发明一个实施例的激光旋转棱镜表面加工应用示意图；

图4是本发明一个实施例的一种激光表面处理质量在线监控系统的主视图；

图5是本发明一个实施例的一种激光表面处理质量在线监控系统的俯视图；

图6是图4和图5所示在线监控系统中于工件上方的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。

根据本发明的一个实施例的一种激光表面处理质量控制方法，如图1、图2图3所示，通过一个在线监控系统实施，该在线监控系统包括激光传输光路系统、中央处理器11和图像显示器12，该中央处理器11包括数据采集单元和中央处理单元，所述激光表面处理质量控制方法包括：

通过激光器13发射入射激光10a，使该入射激光的激光束经过其内部传输光路的反射镜1、反射棱镜2、反射镜3和4，最后通过反射聚焦镜5聚焦到工件例如钢板6上；

通过光电传感器7a检测出实际加工时工件6的表面反射的光；

通过光电转换为反射功率值Pf；

同时通过光电传感器7b，检测传输光路中反射镜3的反射镜面的渗透余光得出实际功率Pt；

分别通过数据采集单元11a将参数：设定功率Ps、反射功率值Pf、实际功率Pt送往中央处理单元11b进行比对计算，并通过逻辑判断确定质量控制因子；以及

将质量控制实时信息通过图像显示器12显示。

其中，央处理单元11a逻辑判断算法及逻辑判定根据以下公式进行：

S1＝(Ps-Pt)/Ps×100％；S2＝Pf×Kn/Pt×100％：

其中，S1:功率损失质量因子；Ps：设定功率；Pt：实际功率；S2:焦点偏离质量因子；Pf：反射功率值；Kn(n＝1,2,3..)：K为反射激光功率修正因子，n对应不同材料。

当S1<10％时，判定功率损失质量因子符合工艺质量要求；当S1>10％时，判定功率损失质量因子异常,不符合工艺质量要求,报警提示检查相关光学元件状态；

当90％<S2<110％时，判定焦点偏离质量因子符合工艺质量要求；当S2<90％时，判定焦点偏离质量因子异常,不符合工艺质质量要求,报警提示调整焦点位置。

本发明一个实施例的一种激光表面处理质量在线监控系统，如图1、图4、图5所示，包括：

设置于工件6上方的激光器13、第一反射镜1、第二反射镜3、第三反射镜4、反射棱镜2、反射聚焦镜5、光电传感器7a、7b、距离传感器8、激光测距仪(未标示)、中央处理器11、图像显示器12。其中，激光器13、第一反射镜1、第二反射镜3、第三反射镜4、反射棱镜2、反射聚焦镜5、光电传感器7a、7b、距离传感器8、激光测距仪构成激光传输光路系统。光电传感器7a，用于测量激光在聚焦后工件加工处反射光的功率Pf。光电传感器7b，用于检测传输光路中反射镜3的反射镜面的渗透余光得出实际功率Pt。距离传感器8，用于测量工件传输辊(未图示)的位置。激光测距仪，设置在工件6的横向两侧离开工件边缘一个距离例如15～20cm处，用于测量支承工件的滚轮位置，以确定滚轮位置是否发生变化。激光器13输出的激光束经过反射镜1、反射棱镜2，反射镜3和4，最后通过反射聚焦镜5聚焦到工件6的表面6a上。光电传感器7a、7b的检测信号通过中央处理器11将光信号转换为电信号并处理，与激光加工系统的设定功率Ps比较，以确定偏差值；该电信号在图像显示器12上进行在线观测。光电传感器在本实施例中为光电荷耦合传感器(CCD)，工件6为硅钢。

激光与工件发生剧烈作用如图1所示，产生的反射激光10和颗粒粉尘经过实时监测，CCD监测信号通过中央处理器11将光信号转换为电信号，该电信号在图像显示器12上进行在线观测。同时，光电传感器7a测量反射镜1位置处的功率，中央处理器11将光电探头信号处理，并与激光加工系统的设定功率比较，设定偏差值，超过偏差值，那么系统报错。

以下以一个具体的应用实例来进一步阐述本发明技术方案的实施过程：

一种硅钢6的表面6a激光刻痕系统的在线监控系统构成如下：

激光器13输出的激光束经过反射镜1、反射棱镜2，反射镜3和4，最后通过反射聚焦镜5聚焦到钢板6上。激光与工件发生剧烈作用如图1所示，产生的反射激光经过Pf实时监测，CCD7a的监测信号通过中央处理单元11将光信号转换为电信号，该电信号在图像显示器12上进行在线观测。同时，光电传感器7b测量反射镜3位置处的功率Pt，中央处理器11将光电探头信号处理，并与激光加工系统的设定功率Ps比较，确定偏差值，超过偏差值，那么系统报警。

本发明技术方案采用高速光电探测器测量激光加工时到达反射面上的激光功率，该实测功率与激光设定功率比值超出一定范围，那么采用该激光参数处理所生产的工件表面肯定有问题，闭环系统会自动报警。通过闭环控制装置，可以马上发现不合格产品，规避生产大量的废品，保障了工艺的可靠性及加工效率。本发明的激光表面处理质量控制方法，可将激光光路中的温度、湿度、粉尘等外界因数严格控制在设备要求的范围内，并保证激光在材料表面处理过程中的激光功率密度的高度一致以及激光焦点在材料表面的高度位置即焦点平面位置的准确性。通过高速光电传感器测量加工工件表面反射功率值Pf，同时测量输出的实际功率Pt，当该实测功率、反射功率与激光设定功率Ps比值超出一定范围，判定功率输出存在问题或焦点位置偏离，系统会自动报警，通过该方法，可规避生产出大量的次品，保障了工艺的可靠性及加工效率。

通过以上发明方法和系统的应用,对功率检测,加工工件反射功率,及设定功率相关参数建立起系列的逻辑运算判断,量化特征,得到生产中容易掌控的技术,大大减少加工过程中质量缺陷的发生,避免大批量质量问题出现,实现真正意义上大生产环节中,高效质量稳定监控技术。

总之，本发明的激光表面处理质量控制方法和在线监测系统对光路中的功率，高速转镜、反射镜和聚焦镜的工作环境，激光刻痕的实时现状进行准确的监控，避免了工作环境以及设备的非正常工作给激光处理工艺带来的极大损失，该监控系统一方面可以减少问题的产生，另一方面在发现问题时，给解决问题时对症下药带来了极大的方便。

本发明技术方案实施简单，应用方便，可以马上发现激光表面处理工艺中的不合格产品，规避生产大量的废品，保障了工艺的可靠性及加工效率。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。

Claims (3)

1.一种激光表面处理质量控制方法，通过一个在线监控系统实施，该在线监控系统包括激光传输光路系统、中央处理器和图像显示器，该中央处理器包括数据采集单元和中央处理单元，其特征在于，所述激光表面处理质量控制方法包括：

通过激光器发射入射激光，通过其内部传输光路,最后经反射聚焦镜聚焦到工件上；

通过第一光电传感器检测出实际加工时工件的表面反射的光；

通过光电转换获得反射功率值Pf；

同时通过第二光电传感器检测传输光路中反射镜的反射镜面的渗透余光得出实际功率Pt；

分别通过数据采集单元将参数：设定功率Ps、反射功率值Pf、实际功率Pt送往中央处理单元进行比对计算，并通过逻辑判断确定质量控制因子；

所述中央处理单元逻辑判断算法及逻辑判定根据以下公式进行：

S1＝(Ps-Pt)/Ps×100％；S2＝Pf×Kn/Pt×100％：

其中，S1:功率损失质量因子；Ps：设定功率；Pt：实际功率；S2:焦点偏离质量因子；Pf：反射功率值；Kn(n＝1,2,3..)：K为反射激光功率修正因子，n对应不同材料；

将质量控制实时信息通过图像显示器显示。

2.根据权利要求1所述的激光表面处理质量控制方法，其特征在于，当S1<10％时，判定功率损失质量因子符合工艺质量要求；当S1>10％时，判定功率损失质量因子异常,不符合工艺质量要求,报警提示检查相关光学元件状态。

3.根据权利要求1所述的激光表面处理质量控制方法，其特征在于，当90％<S2<110％时，判定焦点偏离质量因子符合工艺质量要求；当S2<90％时，判定焦点偏离质量因子异常,不符合工艺质量要求,报警提示调整焦点位置。