CN109746570B - 一种光功率衰减调节系统、方法和激光焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光领域，提供了一种光功率衰减调节系统、方法和激光焊接系统。所述光功率衰减调节系统包括光功率衰减控制装置和光功率衰减装置，其中光功率衰减控制装置包括处理器和分别与处理器电连接的光强度传感器和驱动模块，驱动模块与光功率衰减装置电连接。本发明有效的避免了高功率焊接时反射光对激光器和QBH准直系统的危害，提高了整个激光焊接的安全性。
Description
技术领域
本发明属于激光领域，尤其涉及一种光功率衰减调节系统、方法和激光焊接系统。
背景技术
近些年来，由于激光具有高峰值、高功率密度、光斑小、容易携带等特点，相比于传统的焊接，激光焊接具有焊接速度快、精确度高、受热区域影响小、工件无物理接触、不会变形、冷却速度快等优点，因而在焊接领域中备受关注。
然而，在焊接过程中，对于一些金属工件，尤其是金、银、铜、铝、钛等金属表面光洁度高，反射率高，而金属的反射率随着表面温度达到熔点后迅速下降，当表面熔化后，反射率便降到较低的稳定值。对于大功率激光器，为了解决焊接初始反射率高的问题，现有技术通常通过采用前置尖峰的激光输出波形，利用峰值功率高的特点迅速改变工件表面状态使之熔化，从而降低材料表面反射率。但是从激光照射到表面熔化这段时间内，30-80％的激光能量将会被加工件反射，反射光不仅危害操作者的人身安全，而且部分高功率激光经由原有光路反射回激光腔内会直接损坏QBH准直系统、光纤以及激光器的其他光学器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光功率衰减调节系统、方法和激光焊接系统，旨在解决高功率焊接时反射光对激光器和操作者的危害的问题。
第一方面，本发明提供了一种光功率衰减调节系统，包括光功率衰减控制装置和光功率衰减装置，其中光功率衰减控制装置包括处理器和分别与处理器电连接的光强度传感器和驱动模块，驱动模块与光功率衰减装置电连接；
当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，得到光强值，并将光强值传输至处理器；
处理器根据待加工工件的属性、激光参数和光强值模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率；
处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率是否大于安全值，如果是，则处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际光功率小于或等于安全值为止。
第二方面，本发明提供了一种激光焊接系统，包括激光器、QBH准直系统、焊接接头和如上述的光功率衰减调节系统；激光器输出的激光通过QBH准直系统输入至光功率衰减调节系统，输入至光功率衰减调节系统的光功率经光功率衰减调节系统进行衰减调节后输出至焊接接头。
第三方面，本发明提供了一种激光焊接系统的光功率衰减调节方法，所述方法包括：
当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，得到光强值，并将光强值传输至处理器；
处理器根据待加工工件的属性和激光参数和光强值模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率；
处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率是否大于安全值，如果是，则处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际光功率小于或等于安全值为止。
在本发明中，由于光功率衰减调节系统包括光功率衰减控制装置和光功率衰减装置，其中光功率衰减控制装置包括光强度传感器，当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，处理器模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率，对于高反材料焊接开始时，衰减装置会自动默认衰减最大值，当处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率还未达到安全值时，处理器控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率衰减程度逐渐减小，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际略小于或等于安全值，使输出功率最大化为止。通过闭环实时反馈调节，有效的避免了高功率焊接时反射光对激光器和QBH准直系统的危害，提高了整个激光焊接的安全性。此外，本发明还有以下几方面的优点：
适用范围广，适用于各类激光器，只要留有对应接口即可使用；
适用于所有加工工件，只需数据库中存有相应加工件的参数即可，软件便会自动查找并模拟；
全程自动化控制，使用者只需要将待加工工件的属性以及激光参数输入系统即可，光功率衰减调节系统在不需要人工干预的情况下自动调节；
在待加工工件表面未熔化的时候衰减，熔化之后迅速恢复其最大功率，兼顾了效率和安全，节能环保，安全可靠。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的光功率衰减调节系统的结构示意图。
图2是本发明实施例一提供的光功率衰减调节系统中的光功率衰减装置的结构示意图。
图3是本发明实施例二提供的激光焊接系统的结构示意图。
图4是本发明实施例三提供的光功率衰减调节方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
请参阅图1，本发明实施例一提供的光功率衰减调节系统包括光功率衰减控制装置10和光功率衰减装置20，其中光功率衰减控制装置10包括处理器11和分别与处理器11电连接的存储模块12、输入模块13、输出模块14、光强度传感器15和驱动模块16，驱动模块16与光功率衰减装置20电连接。驱动模块16也可以属于光功率衰减装置20的部件。
光功率衰减装置20可以是现有技术的光功率衰减装置，也可以是如图2所示的光功率衰减装置，光功率衰减装置20可以包括全反镜21、渐变型反射镜片22、传动模块23、光吸收模块24和散热模块25。传动模块23与光功率衰减控制装置10的驱动模块16连接，由驱动模块16驱动传动模块23转动，带动渐变型反射镜片22旋转以改变渐变型反射镜片接入光路的位置，从而改变位于光路上的位置的反射率。散热模块25与光功率衰减控制装置10的处理器11电连接，由处理器11控制散热模块25散热。全反镜21接收入射光，经全反射后进入渐变型反射镜片22，一部分光经反射输出，另一部分光经透射进入光吸收模块24，光吸收模块24吸收透射过渐变型反射镜片22后的光能量，使之转换为热能被散热模块25散入周围环境中。
在本发明实施例一中，全反镜21可以是45度全反镜，渐变型反射镜片22接收光的一侧按照360度渐变的方式镀膜，颜色越深的位置对应反射率越高，接收光反射后进入激光焊接系统的功率也就越高。传动模块23可以是能带动渐变型反射镜片22双向旋转的传动结构。光吸收模块24材质可为氧化铝，光吸收模块24包括吸收腔，吸收腔具有位于渐变型反射镜片22的透射光路上的开口，且内壁呈锯齿形，透射光通过开口进入吸收腔内后在锯齿形的内壁来回漫反射，直至光能完全转化为热能为止。散热模块25可以是热沉结构的散热模块或者风扇组，当然也可以不包括散热模块25，热能直接通过空气散发入周围环境中。
光强度传感器15可以镶嵌于光功率衰减装置20中，从而保证相同条件下传入处理器11的数据绝对性，使软件模拟出的进入QBH准直系统的反射光的功率尽可能与真实值相同。光功率衰减控制装置10和光功率衰减装置20可以整合在一个结构件中，形成即插式模块，即插式模块单独供电，需要的时候只要按照预留接口接入QBH准直系统和激光焊接系统的焊接接头即可，灵活方便，即插即用。
实施例二：
请参阅图3，本发明实施例二提供的激光焊接系统包括激光器100(例如光纤激光器、气体激光器、固体激光器、半导体激光器等)、QBH准直系统200、本发明实施例一提供的光功率衰减调节系统300和焊接接头400。激光器100输出的激光通过QBH准直系统200输入至光功率衰减调节系统300，输入至光功率衰减调节系统300的光功率经光功率衰减调节系统300进行衰减调节后输出至焊接接头400。
实施例三：
请参阅图4，本发明实施例三提供的应用于本发明实施例二提供的激光焊接系统的光功率衰减调节方法包括以下步骤：
S101、当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，得到光强值，并将光强值传输至处理器。
S102、处理器根据待加工工件的属性、激光参数和光强值模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率。
所述待加工工件的属性和激光参数是由用户通过输入模块输入的。激光参数包括焦距、光斑大小等。用户通过输入模块输入的待加工工件的属性和激光参数，以及激光焊接系统向用户发出的提示信息通过输出模块输出，输出模块可以是显示屏和/或语音输出模块。
在本发明实施例三中，S102具体包括以下步骤：
处理器从存储模块读取与所述待加工工件的属性对应的数据库，并用软件结合光强值实际模拟该条件下反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率。
反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统或者激光器的功率是根据大量的实验得出的。光功率衰减调节系统在出厂时，针对每种材料的实际情况，针对不同焦距、光斑，光强度等各种情况下分别测出了一个实际进入QBH准直系统或者激光器的反射光功率，从而形成数据库对照表，并形成了一定的函数关系，储存在存储模块中供处理器调用。在实际使用的时候，用户设置好对应物理参数后，处理器便会根据相应参数以及光强度传感器感知的加工件反射的光强寻找对应实际进入QBH准直系统或者激光器的光功率，从而可以判断是否达到它们阈值，并且用户每次使用的过程也是数据库更新和优化的过程，随着焊接材料种类的增多，焊接参数更加详细，使得数据库越准确和广泛。
S103、处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率是否大于安全值，如果是，则处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际光功率小于或等于安全值为止。
所述安全值是QBH准直系统和激光器光路的损伤阈值的最小值。
在本发明实施例三中，所述处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减具体为：
处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置的传动模块改变渐变型反射镜接入光路的位置，将渐变型反射镜的反射率较低的区域转向光路，以降低输出至焊接接头的光功率，使得聚焦在待加工工件的光功率相应减小，进而返回到激光器光路和QBH准直系统中的光功率也随之变小，从而达到了保护激光器光路和QBH准直系统的目的；
随着时间的延长，待加工工件的表面开始熔化，待加工工件的反射率随之剧烈下降，此时光强度传感器检测到的待加工工件表面反射光的光强值变小，处理器模拟得到的反射光进入QBH准直系统的实际光功率减小到安全值以内，处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置的传动模块改变渐变型反射镜接入光路的位置，将渐变型反射镜的反射率较前一次高的区域转向光路，以提高输出至焊接接头的光功率，使得聚焦在待加工工件的光功率相应提高，在进入QBH准直系统的实际光功率大于不超过安全值的情况下，尽可能的输出高的光功率值，以加快焊接的速度。
在本发明实施例三中，当激光焊接系统开始焊接待加工工件前，将渐变型反射镜片的反射率较低的区域转向光路中，从而避免开机瞬间对QBH准直系统和激光器光路的损害。
由于在激光器焊接时，反射光最强的时间段为待加工工件表面接受激光至表面未被熔化的时间里，本申请通过减小输出光强的方式来完成焊接，虽时间上有所延长，但是能够很好的保护激光器和QBH准直系统等光学器件，无论从使用者的安全还是厂家利益的角度，都是更有利的选择。
在本发明中，由于光功率衰减调节系统包括光功率衰减控制装置和光功率衰减装置，其中光功率衰减控制装置包括光强度传感器，当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，处理器模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率，对于高反材料焊接开始时，衰减装置会自动默认衰减最大值，当处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率还未达到安全值时，处理器控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率衰减程度依次减小，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际光功率略小于或等于安全值，使输出功率最大化为止。通过闭环实时反馈调节，有效的避免了高功率焊接时反射光对激光器和QBH准直系统的危害，提高了整个激光焊接的安全性。除此之外，本发明还有以下几方面的优点：
适用范围广，适用于各类激光器，只要留有对应接口即可使用；
适用于所有加工工件，只需数据库中存有相应加工件的参数即可，软件便会自动查找并模拟；
全程自动化控制，使用者只需要将待加工工件的属性以及激光参数输入系统即可，光功率衰减调节系统在不需要人工干预的情况下自动调节；
在待加工工件表面未熔化的时候衰减，熔化之后迅速恢复其最大功率，兼顾了效率和安全，节能环保，安全可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光功率衰减调节系统，其特征在于，包括光功率衰减控制装置和光功率衰减装置，其中光功率衰减控制装置包括处理器和分别与处理器电连接的光强度传感器和驱动模块，驱动模块与光功率衰减装置电连接；
当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，得到光强值，并将光强值传输至处理器；
处理器根据待加工工件的属性、激光参数和光强值模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率；
处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率是否大于安全值，如果是，则处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际光功率小于或等于安全值为止；
所述光功率衰减装置包括全反镜、渐变型反射镜片、传动模块和光吸收模块；所述传动模块与光功率衰减控制装置的驱动模块连接，由驱动模块驱动传动模块转动，带动渐变型反射镜片旋转以改变渐变型反射镜片接入光路的位置，从而改变位于光路上的位置的反射率；所述全反镜接收入射光，经全反射后进入渐变型反射镜片，一部分光经反射输出，另一部分光经透射进入光吸收模块，光吸收模块吸收透射过渐变型反射镜片后的光能量，使之转换为热能；
所述光功率衰减控制装置还包括分别与处理器电连接的存储模块、输入模块和输出模块。
2.如权利要求1所述的光功率衰减调节系统，其特征在于，所述光功率衰减装置还包括与光功率衰减控制装置的处理器电连接、用于将光吸收模块转换的热能散入周围环境中的散热模块。
3.如权利要求1或2所述的光功率衰减调节系统，其特征在于，所述全反镜是45度全反镜；渐变型反射镜片接收光的一侧按照360度渐变的方式镀膜；传动模块是能带动渐变型反射镜片双向旋转的传动结构；光吸收模块材质为氧化铝，光吸收模块包括吸收腔，吸收腔具有位于渐变型反射镜片透射光路上的开口，所述吸收腔的内壁呈锯齿形。
4.一种激光焊接系统，其特征在于，包括激光器、QBH准直系统、焊接接头和如权利要求1至3任一项所述的光功率衰减调节系统；激光器输出的激光通过QBH准直系统输入至光功率衰减调节系统，输入至光功率衰减调节系统的光功率经光功率衰减调节系统进行衰减调节后输出至焊接接头。
5.一种如权利要求4所述的激光焊接系统的光功率衰减调节方法，其特征在于，所述方法包括：
当焊接接头输出的激光聚焦在待加工工件上时，光强度传感器检测待加工工件表面反射光的光强，得到光强值，并将光强值传输至处理器；
处理器根据待加工工件的属性、激光参数和光强值模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率；
处理器判断进入QBH准直系统的实际光功率是否大于安全值，如果是，则处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减，直至实时反馈的进入QBH准直系统的实际光功率小于或等于安全值为止。
6.如权利要求5所述的光功率衰减调节方法，其特征在于，所述安全值是QBH准直系统和激光器光路的损伤阈值的最小值。
7.如权利要求5所述的光功率衰减调节方法，其特征在于，所述处理器根据待加工工件的属性、激光参数和光强值模拟反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率的步骤具体包括：
处理器从存储模块读取与所述待加工工件的属性对应的数据库，并用软件结合光强值实际模拟该条件下反射光经由焊接接头和光功率衰减调节系统进入QBH准直系统的实际光功率。
8.如权利要求5所述的光功率衰减调节方法，其特征在于，所述处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置对输出至焊接接头的光功率进行衰减的步骤具体包括：
处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置的传动模块改变渐变型反射镜接入光路的位置，将渐变型反射镜的反射率较低的区域转向光路，以降低输出至焊接接头的光功率；
当光强度传感器检测到的待加工工件表面反射光的光强值变小，处理器模拟得到的反射光进入QBH准直系统的实际光功率减小到安全值以内，处理器通过控制驱动模块来控制光功率衰减装置的传动模块改变渐变型反射镜接入光路的位置，将渐变型反射镜的反射率较前一次高的区域转向光路，以提高输出至焊接接头的光功率，使得聚焦在待加工工件的光功率相应提高。
9.如权利要求5所述的光功率衰减调节方法，其特征在于，激光焊接系统开始焊接待加工工件前，将渐变型反射镜片的反射率较低的区域转向光路中。
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