CN1678427A - 部件的激光光束焊接、表面硬化或机械加工操作的控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制一部件的激光焊接、表面硬化或机械加工操作质量的装置。本发明装置由至少一个喷气喷嘴(1)构成，该喷嘴包括：一喷出气流的喷气通道(5)；以及至少一个设置在上述喷气通道(5)的后面的光敏传感器(3)，该光敏传感器用以收集在该焊接、表面硬化或机械加工操作中发射并穿过所述喷气通道(5)的至少一个光信号。本发明还涉及一种控制一部件的激光焊接、表面硬化或机械加工操作的方法。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接、表面硬化或机械加工的质量控制。
背景技术
过去二十年来高能密度的射束由于以下有利特性特别在用于汽车的无涂(镀)层薄板或有涂层薄板的焊接领域中得到广泛应用：
-涂层蒸发少，从而提供更好的镀锌耐腐蚀性；
-部件的变形很小；
-精度高，焊接速度高；
-焊珠外表无需精加工；以及
-接缝的抗拉和抗疲劳性好。
但是，由于制备条件不合适(例如挤压不完美)、焊接熔池不稳定和飞溅过量常会发生各种缺陷，特别是气孔和对准缺陷。在这方面，焊接具有锌基涂层的薄钢板特别难。因此必须有精细的过程控制系统，因为焊接熔池的不稳定会造成这些可能缺陷的形成。
可用各种物理变量实现这种在线控制。使用激光光束时，激光光束与保护气体和金属蒸汽相互作用会生成等离子体。为使得导致焊透率降低的等离子体生成得尽可能少，使用一由与焊头的后面纵向偏置的小直径喷嘴构成的喷气系统在该部件表面上方几毫米处喷出惰性气体。
可有利地使用各种光传感器如在紫外线和可见光范围内敏感的光电二极管来分析反映焊接操作稳定性的等离子体的稳定性。
同样，也可使用在位移方向上处于光束后方的红外光检测器来测量熔融金属发出的光强。一般来说，红外光光强与传给该部件的热量相对应。因此，焊透性提高造成红外线发射的提高。
但是，这些各种传感器很难实际应用。这是因为接收的能量少，因为信号与从光源到传感器的距离的平方成反比地衰减。因此可有两种措施：
-或是使用大直径光传感器，但是这一措施的缺点是信噪比低。这是因为由毛细管发出的光能来自于一小立体角，从而该光学部件拾取其他不想要的光信号。实际中，很难在很杂的信号中检测出缺陷的发生；
-或是使传感器靠近焊接区，此时，周期性排出和稠密的金属蒸汽会使得传感器光学部件的性能迅速下降。温度的局部升高使得传感器无法很靠近熔融金属。人们因此想出权宜之策，它依赖于在传感器前方喷射横向气流，以利用一需要定期更换的消耗性透明板保护传感器或光学部件。但是，这些措施从经济或从信号可靠性观点看是不令人满意的。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题。本发明的目的特别是提供一种接收由激光/材料相互作用发出的反映焊接、表面加工或机械加工的质量的光信号的控制装置，其信噪比高，相对激光光束的定位精确，所述装置必须对焊接、表面加工或机械加工过程中任何工业环境所固有的各种污染都较不敏感。
针对这些目的，本发明的第一主题是一种用于对使用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作的质量进行控制的装置，包括至少一个用于喷射气体的喷嘴，该喷嘴具有一用于喷出所述气体的气流的喷气通道和至少一个设在所述喷气通道的后面的光敏传感器，该光敏传感器用以接收至少一个穿过所述喷气通道并在所述焊接、表面加工或机械加工操作过程中发出的光信号。
按照本发明一优选实施例，用于喷射气体的该喷嘴包括一位于该喷气通道的延长线上的通道，该光敏传感器设在所述通道中。
按照另一优选实施例，用于喷射气体的该喷嘴包括一位于该喷气通道的延长线上的通道和一与所述通道连通的横向通道，该光敏传感器设在该横向通道中，在该通道与该横向通道的接合处设有一反射板(反光板)，以把光信号偏转到该光敏传感器上。
该反射板最好是半透明的。
本发明装置可有利地具有如下一个或多个独立或组合的特征：
-至少一个光敏传感器对红外线敏感；
-至少一个光敏传感器对紫外线敏感；
-至少一个光敏传感器用至少在该传感器的敏感范围内光学透明的不透气隔离器与气流隔开；
-该装置包括用于对该光敏传感器的输出信号进行过滤和放大的装置；以及
-该装置包括用于记录该光敏传感器的输出信号的装置。
本发明的第二主题是一种对使用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作进行控制的方法，在该方法中，用本发明装置接收至少一个来自于该焊接、表面加工或机械加工操作的光信号，把该光信号随时间的变化与在该部件上不存在无法接受的体积或表面缺陷的条件下获得的至少一个基准信号作比较，然后通过比较这两个信号来决定经焊接、表面加工或机械加工的该部件是否合格。
最后，本发明的第三主题是一种对使用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作进行控制的方法，在该方法中，用本发明装置接收至少一个来自于该焊接、表面加工或机械加工操作的光信号，把该光信号随时间的变化与在该部件上不存在无法接受的体积或表面缺陷的条件下获得的至少一个基准信号作比较，然后根据所述至少两个信号的比较结果来控制焊接、表面加工或机械加工参数。
本发明的焊接、表面加工或机械加工操作质量控制装置有若干优点。由于把传感器结合在本身位于光束/材料相互作用区紧旁边的气体喷射装置内，因此信噪比高。因此很容易观察到焊接、表面加工或机械加工中发生的任何扰动。此外，由于把传感器设置在供应气体(例如惰性气体)的实际装置中，因此可防止传感器性能下降。
附图说明
下面结合附图详细、但不受任何限制地说明本发明，附图中：
图1为本发明装置第一实施例的示意剖面图；
图2为本发明装置第二实施例的示意剖面图；以及
图3-5例示出用本发明装置在激光焊接过程中记录的信号，这些图分别对应于无缺陷焊缝、发生孤立的缺陷的焊缝和具有许多不稳定因素的焊缝。
具体实施方式
在图1所示的第一实施例中，对用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作的质量进行控制的装置由一喷射气体的喷嘴1构成，喷嘴1的后面(后端面)12上有一测量头2。
喷嘴1有一喷气通道5和一与通道5连通的供气通道4。位于喷嘴1轴线上的通道5的一边在喷嘴1的前端13开口供气流从喷嘴1喷出，其另一边在喷嘴1的后面12上开口。
测量头2具有一在测量头2的前面(前端面)上开口的通道11，该测量头设计成可固定在喷嘴1的后面12上；测量头2还具有一位于通道11的轴线上的光敏传感器3，该光敏传感器的方向布置成能接收经通道5射入的光。由于传感器的方向与气流方向同轴，因此确保传感器的观察区就是气体作用区。
光敏传感器3最好为一特别记录从熔融区发出的辐射线的红外线检测器(例如Ge光电二极管+Si滤波器或InGaAs光电二极管)或一紫外线检测器(例如GaP光电二极管或硅光电二极管)。该光敏传感器的输出信号最好经滤波和放大。
测量头2的前面抵靠在喷嘴1的后面12上，并用对中装置如对中销6和7定位，使得通道11与喷气通道5同轴。
在测量头2的前面与喷嘴1的后面12的接合处，用一至少在传感器3的敏感范围内对光透明的、与所要测量的物理现象有关的隔离器8把通道5与通道11隔开。例如，如要记录激光焊接过程中从等离子体发出的信号，最好使用至少对紫外线辐射透明的隔离器。该隔离器8设置在一机加工在喷嘴1或测量头2中的凹座内。隔离器8最好辅之以一O形密封圈9，以便在喷嘴1与测量头2之间形成密封。
按照图2所示的第二实施例，本发明控制装置包括一设置在一与通道11连通的横向(侧向)通道11’中的传感器3’。一可为半透明的反射板10位于通道11与横向通道11’之间的接合处，以偏转来自喷气通道5穿过通道11的辐射线，以使辐射线能穿过通道11’到达传感器3’。
在要使用本发明装置控制焊接、表面加工或机械加工操作时，把该装置布置成使得喷嘴1的前面13例如向着等离子体或熔融金属的形成区，并喷射气体。
在激光焊接时，可使用喷嘴喷射气体来减少等离子体的形成。在焊接、表面加工或机械加工操作中发出的光沿轴向穿过喷气通道5、隔离器8后继续沿通道11前进。然后光敏传感器3或3’接收光，发出用来测量该光强度的信号。
借助于一个或多个传感器，可一直记录从焊接、表面加工或机械加工操作发出的一个或多个光信号。最好是，这些传感器设置成离光源(等离子体或熔融金属)的距离很短，由于有传感器会被热损害的危险，因此飞溅或金属蒸气由于把传感器设置在喷气喷嘴中可得以减小。这样，所接受的光信号的强度高。然后可用这些光信号的变化(变动)与在部件上不出现无法接受的体积或表面缺陷的条件下获得的一个或多个基准信号进行比较。通过这一比较可决定经焊接、表面加工或机械加工的部件是否合格，或者通过控制各种焊接参数来防止缺陷的形成。
图3-5例示出在激光焊接操作中用本发明装置记录的信号。用6kW二氧化碳激光以1.5m/min速度焊接厚为1.2mm的电镀锌薄钢板。传感器为在450-1100nm辐射范围中敏感的、装在一沿焊接方向设置在激光光束的后面的喷射氩气的喷嘴中的硅光电二极管。喷嘴指向由激光光束熔化的金属。光束在钢板上的作用点与喷嘴端部之间的距离为40mm。
图3示出在满意条件下生成的焊缝。从焊接操作开始(该曲线图左部)，传感器记录的与由熔融金属送回的光能对应的信号表明变动不大。事实上，对焊缝的检察表明不存在任何缺陷。
图4示出该信号的特征性变动。这一不稳定性对应于零星出现的缺陷。
图5对应于对一镀锌板进行的焊接操作。本发明传感器记录的信号中的许多扰动对应于等离子体和液态金属飞溅的不稳定性，焊缝有许多缺陷。
因此，可设置成离焊接、表面加工或机械加工中加工区距离短的本发明装置用来记录代表该焊接件质量的强烈信号。非常紧凑和便携的该装置便于插入由一个或多个焊接或机加工头或若干气体喷嘴占据的有限空间中，而不影响激光装置的现有部件的正确操作。
Claims (10)
1、一种用于对使用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作的质量进行控制的装置，包括至少一个用于喷射气体的喷嘴(1)，该喷嘴具有一用于喷出所述气体的气流的喷气通道(5)和至少一个设在所述喷气通道(5)的后面光敏传感器(3，3’)，该光敏传感器(3，3’)用以接收至少一个穿过所述喷气通道(5)并在所述焊接、表面加工或机械加工操作过程中发出的光信号。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，用于喷射气体的所述喷嘴(1)包括一位于所述喷气通道(5)的延长线上的通道(11)，所述光敏传感器(3)设在所述通道(11)中。
3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，用于喷射气体的所述喷嘴(1)包括一位于所述喷气通道(5)的延长线上的通道(11)和一与所述通道(11)连通的横向通道(11’)，所述光敏传感器(3’)设在所述横向通道(11’)中，在该通道(11)与该横向通道(11’)的接合处设有一反射板(10)，以把所述光信号偏转到该光敏传感器(3’)上。
4、按照权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反射板(10)是半透明的。
5、按照权利要求1-4中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述光敏传感器(3，3’)对红外线敏感。
6、按照权利要求1-4中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述光敏传感器(3，3’)对紫外线敏感。
7、按照权利要求1-6中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述光敏传感器(3，3’)由一至少在所述光敏传感器(3，3’)的敏感范围内光学透明的不透气隔离器(8)与所述气流隔开。
8、按照权利要求1-7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，该装置包括用于对所述光敏传感器(3，3’)的输出信号进行滤波、放大和记录的装置。
9、一种对使用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作进行控制的方法，其特征在于，利用按照权利要求1-8中任一权利要求所述的装置接收至少一个来自于所述焊接、表面加工或机械加工操作的光信号，把所述一个光信号随时间的变化与在所述部件上不存在无法接受的体积或表面缺陷的条件下获得的至少一个基准信号作比较，通过把在所述焊接、表面加工或机械加工操作中测量的所述光信号与所述基准信号进行比较来决定经焊接或机械加工的该部件是否合格。
10、一种对使用激光光束对一部件进行焊接、表面加工或机械加工操作进行控制的方法，其特征在于，利用按权利要求1-8中任一权利要求所述的装置接收至少一个来自于所述焊接、表面加工或机械加工操作的光信号，把所述光信号随时间的变化与在所述部件上不存在无法接受的体积或表面缺陷的条件下获得的至少一个基准信号作比较，以及按照所述至少两个信号的比较结果控制焊接、表面加工或机械加工参数。
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