CN204934867U - 多传感器的激光焊接监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及激光焊接系统，具体涉及多传感器的激光焊接监控系统。该系统由激光、凸透镜、同轴光学传感器、侧面光学传感器、声学传感器、背面传感器、焊接熔池、被焊接材料、电荷检测表、焊接喷嘴、惰性保护气体、半反射镜组成；其中背面传感器安装在被焊接材料的背面；被焊接材料与焊接喷嘴用导线串联，导线中间再串联电荷检测表。采用本实用新型可以可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好：结构精巧，设备造价适中，使用安全可靠，具有一定的经济适用价值；焊接质量好而且自动化程度高，节省大量人力物力。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光焊接系统，具体涉及多传感器的激光焊接监控系统。
背景技术
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机(手动焊接机)、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。激光焊接过程监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和发展的一个重要内容，利用电感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，通过人工智能和计算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。激光焊接过程控制的主要内容就是对焊接工艺参数的控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。偏离这个范围，熔深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。但实际激光焊接时，存在多种因素影响焦点位置的稳定性，包括因非平面工件和焊接变形引起的焊接喷嘴-工件距离变化，激光器窗口、聚焦镜等元件热透镜效应引起焦点位置的变化，以及光束在飞行光路中不同位置引起焦点位置的变化等。关键是如何迅速确定激光焦点位置并将其控制在合适的范围。
为了提高激光焊接的质量，如能设计一种多传感器的激光焊接监控系统，正是目前很多企业所渴望的。
发明内容
本实用新型针对上述存在问题，能利用各种传感器，通过人工智能和计算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。可以广泛地运用于机械加工厂、汽车制造厂、化工厂等场合。
本实用新型涉及的技术解决方案：
如图1所示，多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：该系统由激光1、凸透镜2、同轴光学传感器3、侧面光学传感器4、声学传感器5、背面传感器6、焊接熔池7、被焊接材料8、电荷检测表9、焊接喷嘴10、惰性保护气体11、半反射镜12组成；其中背面传感器6安装在被焊接材料8的背面；被焊接材料8与焊接喷嘴10用导线串联，导线中间再串联电荷检测表9；侧面光学传感器4与声学传感器5安装在焊接熔池7的一侧面；凸透镜2与同轴光学传感器3安装在水平传到的激光路径中；半反射镜12安装在焊接熔池7正上方并与水平面呈45度角；惰性保护气体11沿着焊接喷嘴10内侧喷射。利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量，例如，气孔倾向的严重程度。利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法。电荷检测表9检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。声学传感器5检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。同轴光学传感器3、侧面光学传感器4、与背面传感器6检测对象为激光焊接过程中的等离子体(包括工件上方和小孔内部)光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD和高速摄像机，以及光谱分析仪等。
本实用新型进一步技术解决方案是：
所述的激光1的波长为1.04～1.07微米。
所述的激光1的脉冲宽度为0.2～12毫秒。
所述的激光1的脉冲频率为10～90赫兹。
所述的激光(1)的功率密度在104～106瓦/平方厘米。
所述的惰性保护气体11为氩气。氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好，使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。
所述的声学传感器5距离焊接熔池7的中心11～12厘米。
所述的侧面光学传感器4距离焊接熔池7的中心8～9厘米。
本实用新型有益效果：
一、采用本实用新型可以可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5∶1，最高可达10∶1。可进行微型焊接，激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。
二、本实用新型结构精巧，激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。设备造价适中，使用安全可靠，具有一定的经济适用价值。
三、本实用新型具有广阔的推广应用前景，可以广泛地应用于机械加工厂、车辆制造厂、桥梁施工现场。焊接质量好而且自动化程度高，节省大量人力物力。
附图说明
附图1为本实用新型的总体结构示意图；
图1中：激光1、凸透镜2、同轴光学传感器3、侧面光学传感器4、声学传感器5、背面传感器6、焊接熔池7、被焊接材料8、电荷检测表9、焊接喷嘴10、惰性保护气体11、半反射镜12。
具体实施方式
如图1所示，该系统由激光1、凸透镜2、同轴光学传感器3、侧面光学传感器4、声学传感器5、背面传感器6、焊接熔池7、被焊接材料8、电荷检测表9、焊接喷嘴10、惰性保护气体11、半反射镜12组成；其中背面传感器6安装在被焊接材料8的背面；被焊接材料8与焊接喷嘴10用导线串联，导线中间再串联电荷检测表9；侧面光学传感器4与声学传感器5安装在焊接熔池7的一侧面；凸透镜2与同轴光学传感器3安装在水平传到的激光路径中；半反射镜12安装在焊接熔池7正上方并与水平面呈45度角；惰性保护气体11沿着焊接喷嘴10内侧喷射。利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法。根据检测信号的不同，激光焊接质量检测主要包括以下几种方式：从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD和高速摄像机，以及光谱分析仪等。声音信号检测。检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。等离子体电荷信号。检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊接过程监测与控制的重要方法之一。利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量，例如，气孔倾向的严重程度。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。偏离这个范围，熔深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。利用同轴光学传感器3、侧面光学传感器4、声学传感器5、背面传感器6对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法。传感器还要设置具体距离，例如，所述的侧面光学传感器4距离焊接熔池7的中心8～9厘米。所述的声学传感器5距离焊接熔池7的中心11～12厘米。氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好，所述的惰性保护气体11为氩气。本实用新型对激光也进行具体规定，所述的激光1的波长为1.04～1.07微米。所述的激光1的脉冲宽度为0.2～12毫秒。所述的激光1的脉冲频率为10～90赫兹。所述的激光(1)的功率密度在104～106瓦/平方厘米。利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法。电荷检测表9检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。声学传感器5检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。同轴光学传感器3、侧面光学传感器4、与背面传感器6检测对象为激光焊接过程中的等离子体(包括工件上方和小孔内部)光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD和高速摄像机，以及光谱分析仪等。
综上，本实用新型所设计的多传感器的激光焊接监控系统，可以达到预期的目的。
Claims (8)
1.多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：该系统由激光(1)、凸透镜(2)、同轴光学传感器(3)、侧面光学传感器(4)、声学传感器(5)、背面传感器(6)、焊接熔池(7)、被焊接材料(8)、电荷检测表(9)、焊接喷嘴(10)、惰性保护气体(11)、半反射镜(12)组成；其中背面传感器(6)安装在被焊接材料(8)的背面；被焊接材料(8)与焊接喷嘴(10)用导线串联，导线中间再串联电荷检测表(9)；侧面光学传感器(4)与声学传感器(5)安装在焊接熔池(7)的一侧面；凸透镜(2)与同轴光学传感器(3)安装在水平传到的激光路径中；半反射镜(12)安装在焊接熔池(7)正上方并与水平面呈45度角；惰性保护气体(11)沿着焊接喷嘴(10)内侧喷射。
2.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的激光(1)的波长为1.04～1.07微米。
3.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的激光(1)的脉冲宽度为0.2～12毫秒。
4.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的激光(1)的脉冲频率为10～90赫兹。
5.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的激光(1)的功率密度在104～106瓦/平方厘米。
6.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的惰性保护气体(11)为氩气。
7.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的声学传感器(5)距离焊接熔池(7)的中心11～12厘米。
8.根据权利要求1所述的多传感器的激光焊接监控系统，其特征在于：所述的侧面光学传感器(4)距离焊接熔池(7)的中心8～9厘米。
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