CN104807547A - 一种激光熔覆熔池温度检测装置,用该装置的加工系统及该系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆熔池温度检测装置，用该装置的加工系统及该系统的控制方法。具体为，一种激光熔覆熔池温度检测装置，包括光线发射器，该光线发射器发射出的光线聚成第一检测光斑，所述第一检测光斑落在所述激光熔覆熔池的加工光斑内；光线传感器，该光线传感器接收光线光斑反射的光线；还包括处理器，该处理器根据发射光线和反射光线的强度，得出当前激光熔覆熔池的温度。以及采用该激光熔覆熔池温度检测装置的加工系统和该加工系统的加工方法。从而实时精确的检测熔覆温度，提高加工品质。

Description

一种激光熔覆熔池温度检测装置,用该装置的加工系统及该系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆熔池温度检测装置，用该装置的加工系统及该系统的控制方法。

背景技术

在现有技术中，采用长波非制冷红外热成像仪对10.6 μmCO2激光熔池温度场的变化进行了观测试验，采用成像仪所测熔池温度，红外成像仪在激光熔覆过程中，通过图像捕捉，采集熔池温度，显示熔池温度的最高值。目前，激光熔覆领域中还没有成熟的设备可是实现对所有合金材料熔池温度的实时检测，采用热成像仪进行测量，其成本较高，而且工作波长在红外区，由背景环境影响产生的干扰很大。同时，测温量程有限，只适合低熔点合金粉测量，对于高熔点合金粉，容易造成热成像仪的损坏；手持红外测温仪进行测量，虽然测温范围较高，但是由于激光光斑较窄，手持红外测温仪不能够实时的、准确的跟随激光熔池移动，测温结果与真实值偏差较大。

在激光再制造过程中，激光熔池的热过程贯穿整个加工过程，一切物理化学过程都是在热过程发生和发展，由于激光的高能密度和聚焦的尺度小等特点，这一过程都是在极短的时间内完成，使得激光再制造的熔池温度场检测变得比较困难。而激光熔覆技术一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。其参数主要有激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度等，他们对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大的影响，这些影响都可以从熔池的温度变化中体现出来。激光熔覆熔池温度测量一直是激光熔覆技术中的难点，实时的反应加工过程中激光熔池温度的变化，对改进激光加工工艺，控制加工质量有着重要的作用，所以，实时的得到激光熔池的温度，并对激光进行实时调整成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明就是为了解决上面的问题，提供一种实时检测激光熔池温度，受背景环境影响小，测温量程范围大，不易受激光熔池温度影响的检测手段。具体的公开一种激光熔覆熔池温度检测装置，包括可见光发射器，该可见光发射器发射出的可见光线聚成第一检测光斑，所述的第一检测光斑落在形成所述激光熔覆熔池的加工光斑内；光线传感器，该光线传感器接收第一检测光斑处的反射光线；还包括处理器，该处理器根据反射光线的强度，得出当前激光熔覆熔池的温度。

所述的可见光发射器为激光发生器，所述的可见光线为红色的激光。

所述的可见光发射器为双激光发射器，该双激光发射器发射出的激光束交叉汇聚成圆形检测光斑。

所述的光线发射器还包括透镜，透镜设置在可见光光路上，汇聚光线成光斑。

所述的反射光线为红外光线。

所述的可见光发射器射出的光线与工件上激光熔覆熔池处的角度为30~60度。

所述的光线发射器还包括滤波片，该滤波片把激光本身的激光波长过滤。

所述的可见光发射器为双激光发射器，该双激光发射器发射出的两束激光束，分别形成处于加工光斑前侧的第二检测光斑和加工光斑后侧的第一检测光斑。

本发明的另一目的公开一种激光熔覆加工系统，包括激光器，工件载具，包括上述任一项所述的激光熔覆熔池温度检测装置，还包括控制器，该控制器读取激光熔所述覆熔池温度检测装置的温度信息，根据该温度信息调整激光器的输出。

所述的激光熔覆加工系统包括机架，所述的机架上固定着激光器，且固定着温度检测装置，两者的位置相对固定。

所述的温度检测装置还包含驱动机构，该驱动机构采用电机驱动光线发射器调整角度，使得温度检测装置发射的光斑在激光器光斑内。

本发明的另一目的公开一种激光熔覆加工方法，所述加工方法应用于如上述任一项的激光熔覆加工系统，具体包括顺序实施的如下步骤：

a、输入所述控制器当前粉材的标准温度；

b、实时检测当前激光熔覆熔池的温度，与标准温度进行比较，调节激光器的输出功率。

所述的步骤a，还包括输入当前粉材的温度受激光影响的趋势。

可以实时的检测当前激光熔池的温度，受背景环境影响小，测温量程范围大，不易受激光熔池温度影响。其中，激光熔覆加工系统可以稳定的检测激光熔池的温度，受外界干扰低，能够实现运动工件及复杂激光熔池的检测。其中，激光熔覆加工方法，可以通过对不同合金粉末激光熔覆时熔池温度的测量，可以建立合金粉末熔点数据库，直接或间接地修正激光输出功率，调节送粉速度与扫描速度，保证熔覆层熔覆质量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的激光熔覆熔池温度检测装置示意图；

图2为本发明一个实施例激光熔覆熔池的正视图；

图3为本发明另一实施例的激光熔覆池的正视图；

图4为本发明一个实施例的激光熔覆加工系统的示意图。

具体实施例

下面结合图1至图4说明本发明公开的激光熔覆熔池温度检测装置，用该装置的加工系统及该系统的控制方法。

如图1所示，本发明公开一个实施例的激光熔覆熔池温度检测装置1，包括可见光发射器2，该可见光发射器2发射出的可见光线3聚成第一检测光斑4，所述的检测光斑4落在形成所述激光熔覆熔池6的加工光斑7内；光线传感器8，该光线传感器8接收第一检测光斑4处的反射光线9；还包括处理器10，该处理器10根据反射光线9的强度，得出当前激光熔覆熔池6的温度。其中，可见光线3与激光熔覆熔池6的角度可以为60度，进一步减小光斑投影的大小，提高检测精度。

采用可见光发射器2发射的可见光线3为对准光线，其聚成第一检测光斑4，光斑的大小为1.5mm²，该光斑易于被光线传感器8追踪到检测点，有利于精确的测温；另外可见的第一检测光斑4也利于操作人员实时了解温度检测装置1的运行状态，并了解检测光斑的位置是否符合要求。

处理器10可以实时根据反射光线9,，这里的反射光线9并非是可见光线3的反射形成的，而是反应第一检测光斑4处的温度检测的反馈信号光线；处理器可以根据反射光线9的强度，得出当前激光熔覆熔池6的温度，由于处理器的检测是可以设定很高的频率，如12ms每次，所以，可以满足加工激光输出的调节需求。

在另一实施例中，进一步的，可见光发射器2为激光发生器，所述的可见光线3的颜色与加工光斑7的颜色不同。当采用激光作为第一检测光斑4的光源时，可以提高检测精度，对于光线传感器8来说，更易于确定监测点的位置，从而提高检测效率。其中，可见光线3与激光熔覆熔池6的角度为45度，提高检测精度。

在另一个实施例中，进一步，可见光发射器2为双激光发射器，该双激光发射器发射出的红色激光束交叉汇聚成圆形检测光斑。采用双激光发射器可以更经过对准以后，两个红色光线聚焦，保证了探测器接收的最佳距离。另外，可见光线3与激光熔覆熔池6的角度为30度，减少对加工激光的空间影响，利于操作，由上可以得到可见光线3与激光熔覆熔池6的角度在大于30度小于等于60度的范围内，都可以实施并获得有益效果。

可以理解的，在以上各种实施例的基础上，分别可以在可见光线4的光路上设置透镜13，通过透镜13可以进一步的把可见光线4汇聚成更小的检测光斑4，即透镜设置在可见光光路上，汇聚光线成光斑。可以进一步提高光斑的亮度，减小光斑的扩散，改善检测的精度。

针对于以上个各个实施例，为了提高光线传感器的感应温度的准确度，光线传感器8采用红外光线敏感材料，即，光线传感器感应的反射光线9为红外线。且，在反射光路上还设置有滤波片11，该滤波片11把发射光线的光波过滤掉，当光波为激光光波时，针对该激光光波的波长采用对应的滤波片，减少激光光波进入光线传感器8而产生不好的影响。

在本发明的另一个实施例中，所述的加工光斑与工件之间有相对运动，具体的加工光斑相对于工件的运动方向12，如图2所示，相对运动方向12为从左向右，第一检测光斑4位于加工光斑7的左侧，即，检测光斑位于加工光斑内，且位于加工光斑运动的后侧。可以检测到实际较高温度点的温度值，该温度点位于这个区域，从而根据该点的温度，可以得知整个熔覆焊完成的情况。

在本发明的另一个实施例中，可见光发射器2为双激光发射器，该双激光发射器发射出的两束红色激光束，如图3所示，加工光斑7上还有第二检测光斑5，该第二检测光斑5位于加工光斑7内，且位于其加工光斑运动方向12的前侧，第一检测光斑位于运动方向12的后侧。光线传感器8，接受第一检测光斑4处的反射光线9的同时，该光线传感器8接收第二检测光斑5的反射光线9；处理器10两处反射光线9的强度，综合得出当前激光熔覆熔池6的温度。由于焊接还受到环境温度和工件传热情况的影响，特别是当工件的形状或者材质发生变化时，通过第二检测光斑5处的温度，可以提早对加工激光器的温度做出调节，并通过第一检测光斑4处的温度判断调整的情况，做进一步的调整。

本发明的另一目的公开一种激光熔覆加工系统20，如图4所示，包括激光器21，工件载具（图中未示出），还包括前面各实施例中提到的激光熔覆熔池温度检测装置1，还包括控制器22，该控制器22读取激光熔所述覆熔池温度检测装置1提供的温度信息，根据该温度信息调整激光器21的输出。这样控制器22在接收到温度检测装置1提供的温度信息，根据其数据库中对应的调整规则，可以对激光的强度、功率等参数进行调整，以便实现更高质量的焊接加工。

进一步的，激光熔覆加工系统20还包括机架23，所述机架上固定着温度检测装置1，同时，机架与激光器21的位置相对固定。在机架23上有滑轨及固定部，固定该温度检测装置1在固定的结构，激光器21发射的加工激光与温度检测装置的可见光线在同一个平面内。通过机架23上的设置的滑轨，可以根据工件加工的需求，调整温度检测装置与激光器21的相对位置，以及调节温度检测装置的可见光线的角度。方便工件的加工。

在本发明的另一个实施例中，温度检测装置1还包含驱动机构，该驱动机构采用电机驱动光线发射器调整角度，使得温度检测装置发射的光斑在激光器光斑内。对于工件的加工面非平面的情况，由于检测面的变化，使得反射光线9的方向会偏离温度检测装置的接收方向，根据光线传感器8的检测信号，可以通过调整驱动机构来适应反射光线9的角度改变。

   本发明的另一目的公开一种激光熔覆加工方法，其特征在于，所述加工方法应用于前述的激光熔覆加工系统20，具体包括顺序实施的如下步骤：

a、读取当前粉材的标准温度；

b、实时检测当前激光熔覆熔池的温度，与标准温度进行比较，调节激光器的输出功率。

由于不同的粉材对应的激光输入功率和熔覆温度是不同的，需要先形成各种粉材的激光输入功率和标准的熔覆温度，在根据该熔覆温度与实施检测的当前激光熔覆熔池的温度，与标准温度进行比较，调节激光器的输出功率。而且，不同的粉材对于激光输入功率调整而产生的变化趋势也是不同的，所以，当实时检测当前激光熔覆熔池的温度，与标准温度进行比较，出现一定的偏差时，不同的粉材对激光功率的调整量也是不同的。从而更快的使熔覆温度达到标准温度范围内，从而保证焊接的品质。

Claims (10)

1.一种激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：包括可见光发射器2，该可见光发射器发射出的可见光线聚成第一检测光斑，所述的第一检测光斑落在形成所述激光熔覆熔池的加工光斑内；光线传感器，该光线传感器接收第一检测光斑处的反射光线；还包括处理器，该处理器根据反射光线的强度，得出当前激光熔覆熔池的温度。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：所述的可见光发射器为激光发生器，所述的可见光线的颜色与加工光斑的颜色不同。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：所述的可见光发射器为双激光发射器，该双激光发射器发射出的红色激光束交叉汇聚成圆形检测光斑。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：所述的可见光线与激光熔覆熔池的角度在大于30度小于等于60度的范围内。

5.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：所述的可见光线的光路上设置透镜，通过透镜可以进一步的把可见光线汇聚成更小的检测光斑。

6.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：所述的光线传感器采用红外光线敏感材料，所述的光线传感器感应红外线反射光线；且，在反射光路上还设置有滤波片，该滤波片把发射光线的光波过滤掉。

7.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池温度检测装置，其特征在于：所述的可见光发射器为双激光发射器，该双激光发射器发射出的两束激光束，分别形成处于加工光斑前侧的第二检测光斑和加工光斑后侧的第一检测光斑。

8.一种激光熔覆加工系统，包括激光器21，工件载具，其特征在于，还包括上述权利要求1至7中任一项的激光熔覆熔池温度检测装置，还包括控制器，该控制器读取激光熔所述覆熔池温度检测装置提供的温度信息，根据该温度信息调整激光器的输出。

9.根据权利要求8所述的激光熔覆加工系统，其特征在于：所述激光熔覆加工系统还包括机架，所述机架上固定着温度检测装置，机架与激光器的位置相对固定。

10.一种激光熔覆加工方法，其特征在于，所述加工方法应用于权利要求8所述的激光熔覆加工系统，具体包括顺序实施的如下步骤：

a、读取当前粉材的标准温度；

b、实时检测当前激光熔覆熔池的温度，与标准温度进行比较，调节激光器的输出功率。