CN108311767A - 一种基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制的方法及系统。它是在激光焊接过程中，利用红外温度检测被焊接物焊接点处的温度，以反馈控制激光器工作；其特征是，还检测被焊接物焊接点处的反射光的强度值，并与熔钎发射光强度阈值比较，确定焊接点的钎料是否达到熔点，并选择相对应的发射率常数进行不同状态的红外温度检测。本发明通过对被焊接点状态的分析确定，实现红外温度传感器的发射率的可变的控制，依据焊接点不同的状态，采用不同的发射率进行红外温度检测，解决现有技术中，不能正确检测焊接点的温度，并控制激光器的工作状态。能够实现系统的集成化，有利于系统的空间布局，较小设备占用空间，实现焊接点的状态精准的控制，进而可以实现激光焊接过程中的恒温控制。

Description

一种基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制的方法及 系统

技术领域

本发明属于激光焊接技术，具体涉及一种激光焊接过程中，温度检测安全控制技术。

背景技术

激光软钎焊的主要特点是利用激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热完成钎焊过程。激光钎焊的关键在于合理的控制激光功率分配。激光束汇聚在钎料上，钎料温度过高导致融化过快，而母材温度不足，使钎料不能很好润湿母材，影响填充效果，钎缝成形变差。激光束汇聚在母材上，钎料温度有可能过低，导致钎料流动性或活跃性降低，母材可能过热融化对于像电路板类似的母材甚至会出现烧糊、起火严重影响焊接品质和生产安全。同时现有软钎料如锡丝、锡膏的焊接温度特性都是按照回流焊或波峰焊等传统的SMT工艺设定，激光软钎焊实际应用中都需要尽可能使焊接温度曲线与传统的SMT工艺要求接近。传统的激光软钎焊多采用直接控制激光输出功率、时间比例依照实际生产经验间接确定焊点温度，这种方法存在极大不足；首先是参数调整花费时间很长；实际焊接温度未知；焊点大小、材料、环境温度都对最终的焊接温度产生影响。

为解决上述问题出现了一类激光恒温焊接的方法，如《同轴测温成像的激光聚焦系统》申请号:CN201220234503.1中所述的方法可以测量实际焊点的位置，同时再配合传统的PID反馈控制如附图1所示即可进行闭环的反馈控制系统。但该传统方法存在以下严重不足：非接触式的温度测量必须使用红外温度传感器，其原理是在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在, 就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理。

红外测量温度受到发射率影响，发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，也称为辐射率、比辐射率。实际物体的发射率与物体的表面状态(包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在)有关。常规情况下粗糙表面比光滑镜面拥有更高的发射率，也就是辐射的红外线强度越高。

在软钎料焊接中常使用的锡丝或锡膏在被加热到熔点前表面多为粗糙不规则形态，表面颜色甚至接近黑色如附图4所示；当软钎料达到熔点时钎料受到自身表面张力的约束会积聚成球形，表面形成光滑镜面如附图5所示。这种现象造成了钎料熔化后实际发射率发生下降，通过红外温度传感器测量到的测量温度下降，而在PID负反馈的控制下会自动增加激光输出功率来弥补这种假象的温度下降，由此造成了焊接点真实温度的异常升高，甚至可能达到焊接母材的燃点产生可见光。图中10---激光光束，101---激光焊接点，102—未熔化的状态钎料， 103—熔化状态钎料。

更为严重的缺陷是当温度升高达到母材燃点时会产生可见光，该可见光波长不在红外温度传感器测量波长范围内，燃烧时红外温度传感器反而测不到温度。激光器PID负反馈控制下再次增加激光功率由此进入恶性循环直到母材被完全烧毁发黑，甚至造成火灾。由于上述的缺陷激光恒温焊接系统在实际的工程应用中较少用到多停留在试验研究及演示阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制方法及系统，进而实现激光焊接过程中的恒温控制，从而解决上述现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的之一，本发明的基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统的技术方案是：它包括

红外温度检测单元：用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点的温度，并输出温度信号；

激光反射光强度检测控制单元，用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点的反射光强度，并与设定熔钎反射光强度比较，确定焊接点的钎料是否达到熔点，并选择确定红外温度检测单元以不同发射率常数进行不同状态的红外温度检测；

PID运算控制单元，输入红外温度检测单元的温度信号(反馈信号)，运算并控制激光器输出激光。

上述技术方案中，在激光焊接过程中，不仅检测被焊接物焊接点的温度，形成反馈，以控制激光器激光的发生，特别控制激光器的焊接温度，特别还增加检测被焊接物焊接点的反射光强度，以分析确定被焊接点处的状态(被焊接点软钎料是否熔化)，选择确定红外温度传感器采用不同的发射率进行检测，即在整个焊接过程中，红外温度传感器的发射率的实现可变的控制，正确反映被焊接点的温度状态，实现焊接安全控制，完成被焊接点的焊接过程中温度正确反馈，进而实现恒温控制的激光焊接。

进一步优化技术方案，还包括燃烧检测控制单元：用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点是否燃烧，并激光器工作的通断。上述方案实现焊接点温度过高，发生燃烧时。及时检测发现发现燃烧现象，切断激光器的工作，保护激光焊接系统。

进一步优化技术方案，所述激光反射光强度检测控制单元，包括

反射光激光传感器，用于检测被焊接物焊接点的反射光强；

第一比较器，用于接收反射光激光传感器输出信号，并与设定的熔钎发射光强度比较，将比较后的信号输出；

红外温度传感器发射率选择确定单元，用于接收第一比较器的输出信号，多个红外温度传感器发射率选择确定一个发射率为红外温度传感器的发射率常数，进行红外温度检测。

上述激光反射光强度检测控制单元结构简单，第一比较器可以是具有物理实体的电路，也可以是软件模块。

进一步优化技术方案，红外温度传感器发射率选择确定单元，包括

两个发射率常数信号输出端，向双路选择器分别输出不同发射率常数信号；

一个双路选择器，接收第一比较器控制信号，确定一个发射率常数信号输出到红外温度传感器。

上述一个双路选择器，可以是具有物理实体的电路，也可以是软件模块。

进一步优化技术方案，所述燃烧检测控制单元包括：

可见光强度传感器，用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点的可见光强度；

第二比较器，用于接收可见光强度传感器的输出光强度信号，并与设定燃烧时可见光强度阈值比较，输出控制信号，控制激光器停止工作。

上述技术方案直接检测采集焊接点出的燃烧可见光，实现被焊接点处的实时状态，及时发现火情，快速响应。

当然，也可以采用其他的火灾检测技术方案，如紫外火灾检测，或烟气火灾检测。

进一步优化技术方案，所述可见光强度传感器的光路设置有第三滤光片，所述第三滤光片为带通滤光片。采用带通滤光片可以避免其他波长的光的干扰影响。准确检测出燃烧时产生的可见光。

进一步优化技术方案，所述激光反射光强度检测控制单元中的反射光激光传感器的光路上设有第二滤光片，所述第二滤光片为带通滤光片。采用带通滤光片可以避免其他波长的光的干扰影响。准确检测激光焊接时，焊接点反射初的激光光线。

为实现本发明目的之二，本发明的基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制方法的技术方案是：激光焊接过程中，利用红外温度检测被焊接物焊接点处的温度，以反馈控制激光器工作；还检测被焊接物焊接点处的反射光的强度值，并与熔钎发射光强度阈值比较，确定焊接点的钎料是否达到熔点，并选择相对应的发射率常数进行不同状态的红外温度检测。

上述方案简单，通过对被焊接点状态的分析确定，实现红外温度传感器的发射率的可变的控制，依据焊接点不同的状态，采用不同的发射率进行红外温度检测，解决现有技术中，不能正确检测焊接点的温度，并控制激光器的工作状态。

进一步优化技术方案，激光焊接过程中，还进行被焊接物焊接点燃烧检测，并控制激光器通断工作状态。

进一步优化技术方案，选择相对应的发射率常数进行不同状态的红外温度检测的过程是：被焊接物焊接点处的反射光通过第二滤光片后，由反射光激光传感器采集反射光强信号，并将所述光强值与熔钎发射光强度阈值C比较，当所述光强值大于等于熔钎发射光强度阈值C时，选择确定发射率常数B作为红外温度传感器的发射率设定值进行红外温度检测；当所述光强值小于熔钎发射光强度阈值 C时，选择确定发射率常数A作为红外温度传感器的发射率设定值进行红外温度检测；发射率常数A大于发射率常数B。

所述被焊接物焊接点燃烧检测过程是:被焊接物焊接点处的燃烧光通过第三滤光片后，由可见光传感器采集燃烧光强信号，并将所述燃烧光强值与焊接点燃烧时光强度阈值B比较，当所述燃烧光强值大于焊接点燃烧时光强度阈值B 时，激光器停止工作；当所述燃烧光强值小于焊接点燃烧时光强度阈值B时，激光器继续工作。

上述方法能够实现系统的集成化，有利于系统的空间布局，较小设备占用空间，实现焊接点的状态精准的控制，进而可以实现激光焊接过程中的恒温控制。

附图说明

图1现有技术的激光红外温度检测控制示意图。

图2本发明系统结构示意图。

图3本发明原来示意图。

图4激光焊接焊接点处钎料未熔化状态示意图。

图5激光焊接焊接点处钎料熔化状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的系统和方法进行描述，所举实例只用于解释本发明技术方案，并非用于限定本本发明的保护范围。

如图2所示，本发明技术方案系统包括

三个检测单元的光路，分别是，

红外温度检测光路(激光焊接点处的红外温度检测)，包括沿和光路56依次设置的反射镜A 57，滤光片A 54和红外温度传感器52。

激光焊接点处的激光反射光强度检测光路，包括沿光路59依次设置的滤光片C60，反射光激光传感器51。

焊接点燃烧时可见光检测光路，包括沿光路55依次设置的反射镜B 58，滤光片B53和可见光强度传感器62。

如图3所示，检测控制包括

接收反射光激光传感器51信号的比较器A85，比较器A85具有阈值---发射激光阈值常数84(是钎料熔化后表面光滑，反射激光强度设定值)。

比较器A85信号输出单刀双掷开关83控制端。

单刀双掷开关83的两个输入端分别是发射率常数A和发射率常数B，发射率常数A是焊接点钎料熔化时的发射率常数，发射率常数B是焊接点钎料未熔化时的发射率常数。单刀双掷开关83的输出信号到红外温度传感器52。红外温度传感器52的输出到PID运算控制单元80，PID运算控制单元80控制信号输出控制激光器82。

接收可见光强度传感器62信号的比较器B86，比较器B86具有阈值---可见光阈值常数88(是焊接点燃烧时产生可见光是的可见光强度设定值)。

比较器B86信号输出单刀单掷开关81。单刀单掷开关81设置在PID运算控制单元80与激光器82。

红外温度检测单元包括红外检测光路部分。

激光反射光强度检测控制单元包括激光反射光强度检测光路以及控制部分，控制部分包括比较器A85，单刀双掷开关83控制端，设定的发射率常数A和发射率常数B。

燃烧检测控制单元包括可见光检测光路以及控制部分，控制部分包括比较器B86，单刀单掷开关81。

从焊接点63发射出的红外光通过反射镜A 57和滤光片A 54后被红外温度传感器52接收(利用红外温度传感器检测焊接点的温度)；从焊接点63燃烧时产生的可见光的通过反射镜B 58和滤光片B 53后被可见光强度传感器51(检测燃烧时可见光光强检测)接收；从焊接点63反射的激光通过滤光片C 60后被激光强度传感器62(检测反射激光光强)接收。

红外温度传感器52测量的温度信号作为PID运算控制器80的(焊接点的温度反馈信号)反馈输入信号；焊接温度常数E 90(设定焊接温度常数值)为PID 运算控制器80的给定输入信号；PID运算控制器80的输出通过单刀单掷开关81 后传输给激光器82作为发射激光强度的控制信号。

发射率常数A和发射率常数B分别与单刀双掷开关83的两个选择点连接；红外温度传感器A的发射率受到单刀双掷开关83控制。

激光强度传感器62的输出信号和反射激光阈值常数C 84(钎料熔点时的激光强度)(激光强度与反射激光阈值常数C比较)作为比较器A 85的输入信号，当激光强度传感器62测量的反射激光强度大于激光阈值常数C时判断焊接点钎料已经达到熔点(钎料熔化后表面光滑对焊接激光反射作用增强)，此时比较器 A 85输出控制单刀双掷开关选择将发射率常数B 86(确定红外温度传感器52的发射率设定值；确定第一发射率常数)作为红外温度传感器52的发射率设定值；当激光强度传感器51测量的发射激光强度小于激光阈值常数C时判断焊接尚未达到熔点，此时比较器A 85输出控制单刀双掷开关选择将发射率常数A 87作为红外温度传感器52的发射率设定值(确定第二发射率常数)；发射率常数A大于发射率常数B。

可见光传感器62的输出信号和可见光阈值常数D 89作为比较器B 88的输入信号，当焊接点发生燃烧时产生的可见光强度超过可见光阈值常数D89时，比较器B 88控制单刀单掷开关81断开PID运算单元80与激光器82之间的连接从而达到直接快速关闭激光的目的。

本发明所述的红外温度传感器52是一种非接触式的温度测量设备，其原理是通过检测焊点自身发射的红外光，其波长测量范围为2.6-16uM；对应测量温度范围0-500摄氏度；至少具有一种动态调节接收发射率或选择不同发射率的功能。该传感器为市面常规产品如HEITRONICS CT09。

本发明所述的激光强度传感器62和可见光传感器51是一种能检测特定波长范围内光强的装置。激光强度传感器62的作用是检测焊接激光通过焊接点63 反射后的杂散光，当焊接点63温度达到熔点时，钎料表面形成光滑镜面对激光的反射加强；可见光强度传感器51的作用是检测焊接点63发生燃烧时产生的可见光。这两种传感器本质上无区别其探测波长范围200-1100nM，区分激光与可见光的功能是通过滤光片B 53和滤光片C 60实现的，传感器的特点对本发明所述的方法无影响。该传感器为市面上常规的光电探测器如Throlabs生产的 PDA10A(-EC)型硅光电探测器。

本发明所述的滤光片A 54、滤光片B 53、滤光片C 60是一种光学镜片可以让特定波长的光通过。滤光片C 60是一种带通滤光片、中心波长800-1100nM、带外透过率低于0.1％，其作用是只允许焊接激光通过焊接点63反射出的杂散光通过避免可见光、远红外热辐射影响激光强度传感器62；滤光片A 54是一种带通滤光片、中心波长2.6-16uM、带外透过率低于0.1％，起作用是只允许焊接点 63自身发出的热辐射红外光通过，从而避免焊接激光和燃烧时的可见光干扰红外温度传感器51；滤光片B 60是一种带通滤光片、中心波长340–695nM、带外透过率低于0.1％，其作用是只允许焊点63温度异常升高发生燃烧时产生的可见光通过，从而避免焊接激光对可见光强度传感器51的干扰。本发明所述的滤光片可以是介质膜滤光片、有色玻璃滤光片等，它的材料和实现方式对本文所述的方法无影响。

本发明所述的反射镜A 57和反射镜B 58实质是一种分束镜片。反射镜A 57 其作用是将焊接点63自身发出的远红外光和激光分离开，其带通波长范围 800-1100nM，反射波长范围2.6-16uM；反射镜B 58其作用是将焊接点63燃烧时发射的可见光从激光中分离开，其带通波长范围800-1100nM,反射波长范围 340-695nM。他们基材和反射膜层的种类对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的PID运算控制单元80是一种负反馈运算控制系统通过将红外温度传感器52的输出温度信号作为反馈量与给定的目标温度常数E进行运算后输出动态控制激光器82的输出功率。它的实现方式对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的单刀双掷开关83本质是一种双路选择器，具有一个控制输入端，两个信号输入端和一个信号输出端；由控制输入端可以控制输出信号在两个输入端之间选择。它可以是半导体门电路、模拟开关、机械开关、软件算法等其具体的实现方式对本发明所属的方法无影响。

本发明所述的单刀单掷开关82是一种受控开关，具有一个控制输入端，一个信号输入端和一个信号输出端；由控制输入端决定输出端是否与输入端相连接。它可以是半导体门电路、模拟开关、机械开关、软件算法等，它的具体实现方式对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的发射率常数A、发射率常数B是红外温度传感器的发射率设定值；激光强度阈值常数C是反射激光强度阈值，当超过激光强度传感器51的输出超过，该值时判断焊接点已经熔化；可见光强度阈值常数C是可见光强度阈值当可见光强度传感器62的输出超过该值时判断焊接点发生燃烧。它可以是预设的模拟电压、电流、软件寄存器常数等其具体的实现方式对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的激光器是一种激光光源，它至少具有一个可控激光输出功率接口、其波长范围满足800-1100nM。它的种类具体是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器对本发明所述的方法无影响。

附图中100—激光束，101---反射光束，102--未熔化钎料，103--熔化钎料

本发明的优点

本发明所述的方法利用额外增加的激光强度传感器来检测反射激光的强度，当钎料未熔化时由于表面相对粗糙反射率较低；当钎料达到熔点后由于自身表面张力作用会发生积聚成未光滑的弧形表面对于焊接激光的反射作用大大增强。通过事项预设反射激光强度阈值与测量值进行比较即可判断出焊接点钎料是是否达到熔点；通过事先预设两组不同的发射率分别对应固态钎料和液态钎料并通过多路开关进行切换的方法解决了传统方法中恒定发射率测量液态钎料温度偏低的问题；通过增加可见光强度传感器检测焊点燃烧时发出的可见光并与预设的可见光强度阈值进行比较后控制激光器功率控制信号的断开与否可以有效解决燃烧时发射光谱范围超过红外温度测量范围后温度失控的问题。断开激光器功率控制信号与断开焊接温度常数E信号相比减小激光功率根迅速，因为PID运算控制单元内部常有积分运算输出存在迟滞不能立即突变。综合以上几种手段后与传统的单一传感器单一反馈回路的恒温控制方法相比焊点实际温度不会异常升高、发生烧毁的现象概率。

Claims (10)

1.一种基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统，它包括

红外温度检测单元：用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点的温度，并输出温度信号；

激光反射光强度检测控制单元，用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点的反射光强度，并与设定熔钎反射光强度比较，确定焊接点的钎料是否达到熔点，并选择确定红外温度检测单元以不同发射率常数进行不同状态的红外温度检测；

PID运算控制单元，输入红外温度检测单元的温度信号，运算并控制激光器输出激光；

燃烧检测控制单元：用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点是否燃烧，并激光器工作的通断。

2.如权利要求1所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统，其特征在于：

所述激光反射光强度检测控制单元，包括

反射光激光传感器，用于检测被焊接物焊接点的反射光强；

第一比较器，用于接收反射光激光传感器输出信号，并与设定的熔钎发射光强度比较，将比较后的信号输出；

红外温度传感器发射率选择确定单元，用于接收第一比较器的输出信号，多个红外温度传感器发射率选择确定吧一个发射率为红外温度传感器的发射率常数，进行红外温度检测。

3.如权利要求2所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统，其特征在于：红外温度传感器发射率选择确定单元，包括

两个发射率常数信号输出端，向双路选择器分别输出不同发射率常数信号；

一个双路选择器，接收第一比较器控制信号，确定一个发射率常数信号输出到红外温度传感器。

4.如权利要求1所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统，其特征在于：所述燃烧检测控制单元包括：

可见光强度传感器，用于检测激光焊接过程中，被焊接物焊接点的可见光强度；

第二比较器，用于接收可见光强度传感器的输出光强度信号，并与设定燃烧时可见光强度阈值比较，输出控制信号，控制激光器停止工作。

5.如权利要求4所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统，其特征在于：所述可见光强度传感器的光路设置有第三滤光片，所述第三滤光片为带通滤光片。

6.如权利要求1或2所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制系统，其特征在于：所述激光反射光强度检测控制单元中的反射光激光传感器的光路上设有第二滤光片，所述第二滤光片为带通滤光片。

7.一种基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制控制方法，

激光焊接过程中，利用红外温度检测被焊接物焊接点处的温度，以反馈控制激光器工作；其特征是，还检测被焊接物焊接点处的反射光的强度值，并与熔钎发射光强度阈值比较，确定焊接点的钎料是否达到熔点，并选择相对应的发射率常数进行不同状态的红外温度检测。

8.如权利要求7所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制控制方法，其特征是，激光焊接过程中，还进行被焊接物焊接点燃烧检测，并控制激光器通断工作状态。

9.如权利要求7所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制控制方法，其特征是，选择相对应的发射率常数进行不同状态的红外温度检测的过程是：被焊接物焊接点处的反射光通过第二滤光片后，由反射光激光传感器采集反射光强信号，并将所述光强值与熔钎发射光强度阈值C比较，当所述光强值大于等于熔钎发射光强度阈值C时，选择确定发射率常数B作为红外温度传感器的发射率设定值进行红外温度检测；当所述光强值小于熔钎发射光强度阈值C时，选择确定发射率常数A作为红外温度传感器的发射率设定值进行红外温度检测；发射率常数A大于发射率常数B。

10.如权利要求8所述基于红外测温可变发射率的激光焊接安全控制控制方法，其特征是，所述被焊接物焊接点燃烧检测过程是:被焊接物焊接点处的燃烧光通过第三滤光片后，由可见光传感器采集燃烧光强信号，并将所述燃烧光强值与焊接点燃烧时光强度阈值B比较，当所述燃烧光强值大于焊接点燃烧时光强度阈值B时，激光器停止工作；当所述燃烧光强值小于焊接点燃烧时光强度阈值B时，激光器继续工作。