ES2255396B1 - Instalacion y metodo de control de calidad de cordones de soldadura laser en procesos automatizados. - Google Patents
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Abstract
Instalación y método de control de calidad de cordones de soldadura láser en procesos automatizados. Está basado en el análisis, tanto en el dominio de la frecuencia como en el dominio temporal, de las emisiones electromagnéticas generadas en el proceso de soldadura láser, asociadas a la columna de plasma y al material fundido producidos. La detección de las emisiones luminosas se hace a través de dos fotodiodos sensibles a dos rangos espectrales distintos, infrarrojo y visible-ultravioleta. El análisis de las señales detectadas se realiza, para el caso frecuencial, a través de un algoritmo basado en la distorsión armónica del espectro de frecuencias, determinándose la calidad del cordón mediante una red neuronal. En el caso del análisis en el dominio temporal la clasificación se realiza mediante un algoritmo basado en la búsqueda de cambios bruscos en la señal.
Description
Instalación y método de control de calidad de
cordones de soldadura láser en procesos automatizados.
La presente invención se refiere a una
instalación y al método seguido para efectuar el control de calidad
de cordones de soldadura láser aplicados en procesos
automatizados.
Es objeto de la invención es que la instalación
disponga de medios que faciliten el control en línea, en tiempo real
y de forma remota, de las calidad de los cordones de soldadura láser
en procesos automatizados sin aumento del tiempo de ciclo. A través
de la información aportando en tiempo real sobre las condiciones en
las que transcurre el proceso de soldadura, se pueden concluir datos
relativos al gas de sellado, de posibles pérdidas de potencia en el
sistema láser, de posible existencia de polución sobre las juntas,
así como de posible exceso de energía sobre las juntas de soldadura,
entre otros, que se pueden traducir en diferentes defectos, poros,
agujeros, faltas de penetración, entre otros.
Es asimismo objeto de la invención que esta
labor se efectúe por medio del empleo de una instrumentación óptica
de detección de las emisiones electromagnéticas generadas, tanto por
la columna de plasma obtenida en el proceso de soldadura, como por
la radiación del material fundido a alta temperatura generada en el
proceso y que el análisis de las señales registradas se efectúe en
el dominio temporal y en el frecuencial.
La necesidad de reducción de costos, unido a las
nuevas directivas europeas sobre emisiones de gases contaminantes y
consumos en los vehículos de transporte terrestre, que implican una
reducción de la masa de los mismos para poder hacerlas frente, ha
llevado a los fabricantes de automóviles a introducir nuevas
técnicas para la conformación de las carrocerías, a partir de la
unión de elementos de chapa de diferentes propiedades físicas
dependiendo de cual es la funcionalidad de cada una de estas
partes.
Para realizar las uniones de los diferentes
segmentos de chapa se pueden utilizar múltiples técnicas, siendo la
más utilizada, actualmente, la soldadura láser por penetración,
debido a las propiedades inherentes necesarias en el producto final:
pequeña zona de afectación térmica, elementos de espesor diferentes,
piezas de materiales distintos; unido a los requerimientos de
productividad: alta velocidad, repetitibilidad y condicionantes
económicos.
La automatización de los diferentes procesos de
soldadura de cordones ha generado una necesidad de supervisón del
producto obtenido. Para la monitorización de la calidad de las
piezas son necesarios sistemas que permitan la supervisión de toda
la producción en la extensión completa del cordón realizado sin que
esto influya en los coeficientes de productividad de las
instalaciones implicadas. Otra desventaja que deben superar los
sistemas de control de calidad de los cordones de soldadura es que
la evaluación ha de hacerse con la mayor prontitud posible,
permitiendo poder retirar las piezas con cordones de soldadura
defectuosos del proceso productivo antes de que sobre ellas se
realicen las operaciones siguientes.
En la actualidad existen múltiples sistemas para
el control, en línea, de la calidad de los cordones de soldadura
producidos mediante resonadores láser. Estos sistemas están basados
en diferentes propiedades físicas.
Durante el proceso de soldadura láser un haz
luminoso de alta potencia es focalizado en un área de pocos
milímetros cuadrados, sobre la junta alcanzándose densidades de
energía de 10^{8} julios.m^{-2}. Los metales sólidos poseen
coeficientes de absorción para la radiación electromagnética
provenientes de los láseres de alta potencia industriales
relativamente bajos, inferiores al 30% de la radiación incidente.
Este hecho no impide que bajo las condiciones de irradiación
descritas, 10^{8} julios.m^{-2}, estos lleguen a alcanzar la
temperatura de fusión. Una vez fundido el material sigue
calentándose por acción de la radiación láser llegando hasta la
temperatura de evaporación. En el caso del metal fundido el
coeficiente de absorción de radiación láser es mayor que para el
metal en estado sólido. El metal evaporado se mezcla con el gas de
cobertura formando, por interacción con la radiación lumínica del
haz láser incidente, un plasma. Tradicionalmente se consideró el
plasma generado como un subproducto indeseable y perjudicial para el
proceso de soldadura ya que su formación generaba una pérdida de
energía. Estudios posteriores han demostrado que la creación de
dicho plasma consume energía, por contra se convierte en un
acoplador entre la radiación láser y la materia de los elementos a
soldar mejorando el rendimiento global del proceso. La presión de
vapor del metal abre un canal paralelo al haz láser a través del
metal fundido. Este canal, denominado "keyhole" puede atravesar
completamente o no las piezas a soldar.
El vapor de metal mezclado con el gas de
cobertura a alta temperatura, rellena el hueco creado en la zona de
metal fundido. Para poder permanecer abierto dicho canal se
establece un equilibrio de fuerzas inestable, donde actúan, entre
otras, la tensión superficial de la superficie fundida, la presión
de vapor, etc. Este equilibrio también se ve influido por otros
fenómenos, entre los que hay que señalar la dinámica de fluidos
asociada al movimiento del material fundido y a las partículas de
plasma, efectos de defocalización del haz láser asociados a la
variación del índice de refracción en la columna del plasma, además
de los asociados a los procesos de evaporación y de interacción
luz-materia y luz-plasma, como son
la absorción de "Bremsstrahlung", radiación de frenado, por
parte de las partículas del plasma. Incluyéndose también, los que
rigen la propia dinámica del plasma, ley de Saha, ecuación de
Planck, etc.
Como se deduce del párrafo anterior, el proceso
físico de soldadura láser de cordones es extremadamente complicado
al intervenir interrelacionadamente múltiples fenómenos físicos.
Esta complejidad hace que actualmente no existan modelos teóricos
que sirvan para explicar completamente los complejos fenómenos
involucrados debiéndose obtener resultados parciales a partir de
simulaciones numéricas de modelos simples, aunque cada vez más
complejos debido al aumento de la capacidad de cálculo de los
computadores. Estos modelos son actualmente utilizados para el
entrenamiento de los ingenieros relacionados con las instalaciones
de soldadura o para comprobar y validar los parámetros de control
de las mismas a la hora de desarrollar nuevos productos.
Debido a la complejidad, anteriormente
mencionada, del proceso de soldadura, los modelos teóricos son
refinados con medidas experimentales sobre alguno de los parámetros,
tanto del plasma como del material fundido.
A través del conocimiento adquirido en
diferentes disciplinas de las ciencias sobre los plasmas y los
procesos de interacción radiación-materia, aplicado
al caso concreto de la soldadura láser, además de un estudio de las
posibles perturbaciones sobre el modelo perfecto que pueden aparecer
en el caso real, se determinan cuales son los parámetros
interesantes a medir y cuantificar. El estudio de las posibles
perturbaciones en el proceso está motivado por la necesidad de
estudiar los defectos que aparecen, a nivel industrial, en los
cordones de soldadura. De estos estudios han surgido los diferentes
sistemas de control de la calidad de los cordones de soldadura
láser.
Los sistemas de control de la calidad de la
soldadura láser están basados fundamentalmente en la medida de
diferentes parámetros físicos relacionados con la columna de plasma
formada, o con el material fundido que rodea dicha columna y que
mediante estudios experimentales y de simulación, se ha visto que
están implicados en la aparición de los diversos defectos. Entre los
defectos más habituales en los procesos de soldadura láser de
cordones están: los poros, las faltas de penetración, las
salpicaduras, los agujeros, las perlas, el mal rellenado de las
juntas, entre otros. Estos defectos suelen estar asociados a
imperfecciones en el perfil de las juntas, falta de potencia en la
superficie de la junta, mal posicionado de la cabeza de soldadura,
contaminación superficial, etc. Los diferentes defectos pueden ser
tanto puntuales como extenderse a todo el cordón.
La instalación y método de control de calidad de
cordones de soldadura láser objeto de la presente invención
proporciona como ventaja respecto a los sistemas descritos con
anterioridad su capacidad de englobar, en el análisis de la calidad,
las dos fuentes de emisión de radiación electromagnética del proceso
de soldadura correspondientes a la columna de plasma y a la zona de
material fundido, utilizando la señal temporal de intensidad emitida
y el espectro de potencia de dicha señal para analizar la calidad de
los cordones de soldadura.
En el procesado de la señal en el dominio
frecuencial se utiliza un algoritmo basado en la distorsión armónica
del espectro de energía. El análisis temporal utiliza un algoritmo
de detección de cambios bruscos en la señal (CUSUM).
Estas dos técnicas permite aislar al sistema de
análisis de las variaciones que se pudieran ocasionar en las señales
registradas por, la modificación en la configuración del sistema de
adquisición de radiación electromagnética, por la sustitución de
instrumentación deteriorada o por leves desalineamientos
accidentales de los sistemas de captura de luz, además de aumentar
la inmunidad al ataque sobre los sistemas ópticos de recolección de
luz por parte de los gases y escorias producidas en el proceso de
soldadura.
La instalación de soldadura por láser incorpora
un haz láser de alta potencia que es focalizado mediante un espejo
parabólico sobre la pieza de trabajo. La acción del láser
focalizado sobre la pieza de trabajo produce una columna de plasma y
una zona de material fundido rodeando la cavidad comúnmente
denominada "keyhole".
Una fibra óptica se encarga de recolectar la
radiación electromagnética proveniente de la columna de plasma. La
luz emitida por el material fundido es recolectada por una segunda
fibra óptica. Las entradas de las dos fibras ópticas son fijadas a
una cabeza de soldadura mediante un soporte que permite, en primer
lugar, el alineamiento de las fibras hacia la base de la columna de
plasma y donde se localiza el material fundido, contando para ello
con dos grados de libertad, y en segundo lugar, permite regular la
cantidad de luz que penetra en las fibras ópticas.
La luz recolectada por cada una de las dos
fibras ópticas es transportada hasta dos detectores, que pueden
consistir en fotodiodos de silicio sensibles a:
750-1100 nm y 300-550 nm. El primero
es sensible a la radiación del espectro electromagnético
correspondiente al infrarrojo cercano, detector de infrarrojo. El
segundo detector está mejorado para captar luz de la zona
ultravioleta, captando también la radiación visible y de infrarrojo
cercano del espectro electromagnético, detector visible. Las señales
de intensidad de los fotodiodos son transformadas en señales de
voltaje y acondicionadas para el posterior análisis mediante dos
amplificadores idénticos de transimpedancia, alimentados por dos
fuentes estabilizadas.
Las señales de salida de los amplificadores son
monitorizadas mediante una tarjeta de adquisición de datos
incorporada a un computador industrial encargado del almacenamiento
de las señales y análisis de las mismas para determinar la calidad
de los cordones soldados.
Las altas energías lumínicas concentradas
mediante el espejo parabólico sobre la pieza de trabajo hacen que el
material en un primer momento se funda, material fundido, y
posteriormente se evapore, columna de plasma. La radiación
electromagnética emitida por cada uno de estos dos estados de la
materia es diferente. Mientras que el material fundido se comporta
como un cuerpo gris, la emisión de la columna de plasma es en forma
de líneas espectrales características a los elementos químicos
constituyentes de la pieza de trabajo.
La temperatura de fusión del hierro, material
básico de la pieza de trabajo es aproximadamente 1539ºC (1812 K)
siendo su temperatura de ebullición 2750ºC (3023 K). Para las
temperaturas comprendidas entre estos dos valores, la contribución a
la parte del infrarrojo cercano del espectro electromagnético de la
radiación emitida por el material fundido es muy importante, como se
puede deducir de la utilización de la formula de emisión de un
cuerpo negro planteada por Planck a principios del siglo pasado:
I\lambda =
\frac{8 \pi h c}{\lambda ^{5}} \cdot \frac{1}{e^{hcl \lambda
kT}-1}
Donde I es la intensidad a la longitud de onda
\lambda, \pi es 3,141592; h es la constante de Planck y c es la
velocidad de propagación de la velocidad de la luz en el vacío El
parámetro de ajuste de esta ecuación es T, la temperatura de la
fuente emisora.
Otra forma de explicar el uso de transductores
optoelectrónicos sensibles al infrarrojo cercano es utilizar la
ecuación de Wien, que nos indica la longitud de onda a la cual se
produce el máximo de la emisión de un cuerpo negro:
\lambda_{max}
T = 2.898 \cdot 10^{-3} \
mK
Donde \lambda_{max} es la longitud de onda
del máximo de emisión a la temperatura T. En la tabla 1 se muestra
los valores relativos a las temperaturas de fusión y ebullición del
hierro.
| Hierro | Longitud de onda del máximo (nm) | |
| Temperatura de fusión (K) | 1812 | 1600 |
| Temperatura de ebullición (K) | 3023 | 960 |
Para la columna de plasma la emisión
electromagnética está asociada, principalmente, a las transiciones
electrónicas de los átomos constituyentes de la pieza de trabajo.
Suponiendo que los átomos emisores son, mayoritariamente, de hierro,
material base de la pieza de trabajo y en menor cantidad, átomos del
gas de cobertura y de los aleantes necesarios para obtener un acero
de características adecuadas para su funcionalidad, carbono, cinc,
magnesio, etc., y que todos estos elementos poseen líneas
espectrales muy intensas en la zona azul y ultravioleta del espectro
electromagnético, dato obtenido de las bases de datos de líneas
espectrales del NIST, la emisión del plasma será muy intensa en el
rango espectral del visible, en su parte azul y en el
ultravioleta.
Además de la emisión de las líneas espectrales
en la columna de plasma habrá una emisión característica de la
radiación de frenado de los electrones en movimiento libre que en
ella se encuentran debido a la ionización de los átomos de hierro y
otros compuestos del plasma. Múltiples trabajos científicos
demuestran que las temperaturas de estos tipos de plasmas se sitúan
en las decenas de miles de Kelvin. Utilizando las ecuaciones de
Planck y Wien podemos calcular la longitud de onda asociada al
máximo de la emisión electromagnética de dichos electrones. En este
caso corresponde a 3 \cdot 10^{-7} m (300 nm), lo que significa
que la emisión será mayoritariamente en el ultravioleta y en la
parte azul de la zona del espectro correspondiente al visible.
La aparición de defectos en los cordones de
soldadura y que se traducen en una merma de su calidad, está
asociada a una variación en la emisión de radiación electromagnética
tanto de la columna de plasma como de la zona fundida. Estas
variaciones están ligadas a una disminución o aumento de la cantidad
de material fundido o una redistribución de temperaturas en el
mismo, a cambios en la composición del plasma que derivan en
variaciones en su temperatura y densidad electrónica, etc.
Para controlar los cambios en la radiación
electromagnética producida en el proceso de soldadura, se canaliza
mediante fibra óptica hacia los detectores, de radiación visible, o
de infrarrojo. Las señales de intensidad producidas por los
transductores optoelectrónicos son acondicionadas y amplificadas por
los amplificadores de transimpedancia y enviadas a la tarjeta de
adquisición integrada en el computador industrial.
Para el sensor de radiación infrarroja, la señal
es registrada, almacenada en la memoria del computador, dividida en
n+1 segmentos temporales del mismo número de muestras. Para cada
segmento temporal se realiza la transformada rápida de Fourier
(FFT), con lo que se obtienen n+1 espectros de potencia. A los
primeros n espectros de potencia se les resta frecuencia a
frecuencia el espectro de potencia del segmento n+1 asociado al
fondo tanto lumínico como electrónico de toda la instalación.
\newpage
De los espectros de potencia de cada segmento,
una vez quitada la contribución del fondo, se calcula la proporción
porcentual sobre la energía total de cada tramo para una serie de
bandas frecuenciales características del proceso de soldadura.
Realizada esta operación se promedian los valores para cada banda
características de los n primeros segmentos en los cuales se había
dividido la seña de infrarrojo, obteniéndose un parámetro por banda
para cada cordón. Denominándose a este conjunto de parámetros
"rasgos del infrarrojo".
En el caso de la señal visible el proceso para
el tratamiento de la señal es el siguiente: la luz emitida por el
proceso de soldadura es transmitida por la fibra óptica hasta el
sensor sensible a longitudes de onda entre el 280 nm a 1000 nm. La
salida de este sensor es acondicionada y amplificada por un
amplificador de transimpedancia y enviada a la tarjeta de
adquisición de datos instalada en el computador industrial. Una vez
allí, esta señal es almacenada y dividida en n+1 segmentos iguales.
De estos n+1 segmentos, los n primeros corresponden a la luz
emitida por la soldadura, mientras que el n+1 corresponde a la señal
de fondo, tanto lumínico como electrónico de toda la instalación.
Para cada segmento se calcula su espectro de energías a través de la
transformada rápida de Fourier (FFT). Realizada esta operación se
resta frecuencia a frecuencia el espectro del segmento n+1, asociado
al fondo de señal, al espectro de los n primeros segmentos, que
contienen la información sobre el proceso de soldadura.
Posteriormente se calcula el porcentaje de energía sobre la total de
cada segmento asociada a cada banda frecuencial características. Los
valores son promediados sobre los n segmentos en los cuales se había
dividido el cordón completo, obteniéndose al final un único
parámetro por banda para todo el cordón, denominándose a estos
parámetros "rasgos del visible".
Una vez obtenidos, tanto los rasgos infrarrojo
como los rasgos visibles, estos son utilizados como entradas en una
red neuronal del tipo "Perceptron Multicapa" entrenada con
rasgos del infrarrojo y rasgos del visible tanto de cordones buenos
como malos. La salida de dicha red neuronal será una estimación de
la calidad global del cordón de soldadura láser analizado,
pudiéndose obtener dos únicos valores, aceptable o no aceptable, no
distinguiéndose entre las diferentes clases de defectos.
Para poder obtener los espectros de potencia
hasta una frecuencia adecuada para realizar el control de calidad se
han utilizado amplificadores de transimpedancia de bajo ruido y un
rango espectral desde 0 Hz hasta 400 KHz y una tarjeta de
adquisición analógico digital con una capacidad de muestreo de hasta
333 KHz.
Con la misma instrumentación indicada también se
realiza un análisis en el domino del tiempo del cordón de
soldadura.
La radiación infrarroja emitida por el material
fundido es recogida y transmitida por la fibra óptica hasta el
transductor optoelectrónico de infrarrojo. La salida en intensidad
de dicho fotodiodo es acondicionada con un amplificador de
transimpedancia y enviada a la tarjeta de adquisición de datos
instalada en la computadora industrial para su almacenamiento y
análisis.
El proceso de análisis temporal de la señal de
intensidad de la radiación de infrarrojo comienza con una
normalización de la misma que permitirá utilizar el mismo sistema de
control para las diferentes gamas de perfiles en las pieza de
soldadura. Posteriormente se realiza una búsqueda de cambios bruscos
o pulsos de flanco negativo en la señal de infrarrojo capturada por
el sensor correspondiente.
La detección de dichos flancos en la señal se
realiza aplicando el algoritmo CUSUM y posteriormente seleccionando
los flancos negativos más probables de haber sido originados por un
fallo y no sólo por una disminución en la potencia de la señal
asociada a la propia estructura de la soldadura. Para ello es
aplicado de forma iterativa el algoritmo para distintos valores de
umbral de detección de flanco. De entre los puntos detectados por la
aplicación iterativa con diferentes umbrales del algoritmo CUSUM son
declarados como puntos de fallo aquéllos cuyo valor de pico queda
fuera de la envolvente de la señal del cordón completo.
El paso final es la agrupación por tramos
espaciales del cordón de todos los flancos que han sido
considerados como originados por un fallo y se declaran como tramos
defectuosos aquellos en los que el mismo tramo contiene fallos para
un número de fallos superior o igual al predeterminado por el
umbral.
Para la determinación espacial sobre el cordón
de soldadura de las zonas puntuales donde se ha producido una merma
de la calidad de la soldadura se necesita obtener información sobre
los parámetros de funcionamiento de la instalación de soldadura, en
particular la velocidad de soldadura. Dicha información es
transmitida desde la instalación a monitorizar hasta el sistema de
control de calidad al finalizar cada uno de los cordones.
Los materiales de construcción del soporte porta
fibras no tienen ningún requisito especial exceptuando el de la
robustez y rigidez que permitan su manipulación para la orientación
de las fibras hacia el punto de emisión y su posterior fijación, de
forma que dicha posición se mantenga constante hasta el siguiente
posicionado, en caso de que esta sea necesario. En lo referente a la
morfología, esta ha de adaptarse a las posibilidades ofrecidas por
la instalación a monitorizar, teniendo una vital importancia los
puntos de fijación disponibles.
En lo referente a los sensores y las fibras
ópticas, los primeros han de ser sensibles a dos rangos del espectro
electromagnético distintos, el infrarrojo cercano uno y el otro al
ultravioleta y el visible. Respecto a la fibra óptica, estas han de
cumplir un requerimiento similar, pero en este caso de
transmitancia; una para el infrarrojo y otra para el ultravioleta y
el visible.
Por último, el sistema de adquisición de datos y
de procesamiento poseen un grupo de características específicas. Los
amplificadores deben tener una banda frecuencial de trabajo superior
a los 200 KHz. La tarjeta de adquisición de datos integrada en el
ordenador debe tener una frecuencia de muestreo también superior a
los 200 KHz. En el caso del computador ha de poder realizar las
operaciones de análisis y procesado con la mayor prontitud posible
por lo que sus requisitos están fijados por la cantidad de tiempo
existente entre los diferentes cordones o entre el final de un
cordón y el momento en el que es requerido el conocimiento de la
calidad del mismo para poder clasificar dicha pieza.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un esquema general de la
instalación de soldadura y del sistema para el control de la calidad
de los cordones de soldadura.
Figura 2.- Muestra la acción del haz láser de
alta potencia generando una columna de plasma, el "Keyhole",
una zona de material fundido y otra de material afectado
térmicamente.
Figura 3.- Muestra la curva de sensibilidad del
detector de infrarrojo.
Figura 4.- Muestra la curva de sensibilidad del
detector de luz visible y ultravioleta.
Figura 5.- Muestra un ejemplo de una señal
temporal en la que aparecen varios defectos en el cordón de
soldadura.
Figura 6.- Muestra un ejemplo de un espectro de
frecuencias de una señal temporal.
La instalación para control de calidad de
cordones de soldadura láser en procesos automatizados que constituye
el objeto de esta invención es de aplicación para aparatos de
soldadura que incorporan, tal y como se observa en las figuras 1 y
2, un haz láser de alta potencia (1), normalmente focalizado
mediante un espejo parabólico (2) que se dirige a través de la
cabeza de soldadura (9) sobre una pieza de trabajo (3) que produce
una columna de plasma (4) y una zona de material fundido (5) al lado
de la cual se encuentra una zona de material afectado térmicamente
(14) y rodeando a una cavidad (6) denominada "keyhole".
A partir de esta configuración básica la
instalación destaca fundamentalmente porque dispone de medios de
recolección (7, 8) de la radiación electromagnética proveniente de
la columna de plasma (4) generada durante la soldadura y de la
radiación emitida por el material fundido (5) a alta temperatura y
cuenta en combinación con estos medios de recolección (7, 8) con
medios de detección (10, 11) sensibles a la radiación
electromagnética que transforman la radiaciones captadas por los
medios de recolección (7, 8) en señales, contando a continuación con
medios de amplificación (12) que amplifican la señales y medios de
monitorización incorporados en medios de almacenamiento y análisis
(13) que determina la calidad de los cordones soldados en tiempo
real.
Los medios de recolección (7, 8) consisten en un
primer cable de fibra óptica (7) que recolecta la radiación
electromagnética proveniente de la columna de plasma (4) y en un
segundo cable de fibra óptica (8) que recolecta la luz emitida por
el material fundido.
Los medios de detección (10, 11) consisten en un
fotodiodo de infrarrojo (10) sensible a la radiación del espectro
electromagnético correspondiente al infrarrojo cercano, y un
fotodiodo visible (11) que capta la luz de la zona ultravioleta, la
radiación visible y de infrarrojo cercano del espectro
electromagnético.
Por otra parte los medios de amplificación
consisten en amplificadores de transimpedancia (12) alimentados por
fuentes estabilizadas.
Los medios de monitorización consisten en una
tarjeta de adquisición de datos incorporada en un computador
industrial consistente en los anteriormente descritos medios de
almacenamiento y análisis (13) de las señales recibidas.
El sistema incorpora un soporte de dos grados de
libertad que fija las fibras ópticas (7, 8) a la cabeza de soldadura
(9), permitiendo el alineamiento de las fibras ópticas (7, 8) hacia
la base de la columna de plasma (4) y hacia el lugar en el que se
localiza el material fundido (5), así como regula la cantidad de luz
que penetra en las fibras ópticas (7, 8).
El método empleado para llevar a cabo el control
de la calidad de los cordones de soldadura láser comprende las fases
de:
- recolección de la radiación electromagnética
proveniente de la columna de plasma (4) generada durante la
soldadura y de la radiación electromagnética emitida por el material
fundido (5) a alta temperatura,
- detección de dichas radiaciones
electromagnéticas, su transformación en señales de tensión y
posterior acondicionamiento,
- amplificación de las señales,
- monitorización de las señales amplificadas,
almacenamiento y análisis en tiempo real para determinar la calidad
del cordón de soldadura,
La última fase correspondiente al análisis en
tiempo real se efectuará en el dominio de la frecuencia y en el
dominio temporal.
En el dominio de la frecuencia, el análisis
consiste en la comparación de lo parámetros asociados a bandas
frecuenciales de las señales correspondientes a las radiaciones
electromagnéticas con los mismos parámetros obtenidos en cordones de
referencia, tanto defectuosos como no defectuosos, mediante una red
neuronal.
En el dominio temporal el análisis consiste en
la detección en el tiempo de las desviaciones bruscas de la señal
asociada a la radiación electromagnética captada respecto a los
umbrales de una señal de referencia asociada al cordón bueno.
Claims (9)
1. Instalación de control de calidad de cordones
de soldadura láser en procesos automatizados, de aplicación en
instalaciones de soldadura que incorporan un haz láser de alta
potencia (1) que se dirige a través de una cabeza de soldadura (9)
hacia una pieza de trabajo (3) produciendo una columna de plasma
(4) y una zona de material fundido (5), caracterizada porque
comprende:
- medios de recolección (7, 8) de la radiación
electromagnética proveniente de la columna de plasma (4) generada
durante la soldadura y de la radiación emitida por el material
fundido (5) a alta temperatura,
- medios de detección (10, 11) sensibles a la
radiación electromagnética que transforman la radiaciones recogidas
por los medios de recolección (7, 8) en señales,
- medios de amplificación (12) que amplifican la
señales, consistiendo dichos medios de amplificación en
amplificadores de transimpedancia (12),
- medios de monitorización incorporados en
medios de almacenamiento y análisis (13) de las señales que
determinan la calidad de los cordones soldados en tiempo real.
2. Instalación de control de calidad de cordones
de soldadura láser en procesos automatizados según reivindicación 1
caracterizada porque los medios de recolección (7, 8)
consisten en un primer cable de fibra óptica (7) que recolecta la
radiación electromagnética proveniente de la columna de plasma (4)
y en un segundo cable de fibra óptica (8) que recolecta la luz
emitida por el material fundido (5).
3. Instalación de control de calidad de cordones
de soldadura láser en procesos automatizados según reivindicación 1
caracterizada porque los medios de detección (10, 11)
consisten en un fotodiodo de infrarrojo (10) que capta la radiación
del espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo
cercano, y un fotodiodo visible (11) que capta la luz de la zona
ultravioleta, la radiación visible y de infrarrojo cercano del
espectro electromagnético.
4. Instalación de control de calidad de cordones
de soldadura láser en procesos automatizados según reivindicación 1
caracterizada porque los medios de monitorización consisten
en una tarjeta de adquisición de datos.
5. Instalación de control de calidad de cordones
de soldadura láser en procesos automatizados según reivindicación 1
caracterizada porque los medios de almacenamiento y análisis
(13) de las señales recibidas consisten en un computador
industrial.
6. Instalación de control de calidad de cordones
de soldadura láser en procesos automatizados según reivindicaciones
1 y 2 caracterizada porque incorpora un soporte de dos
grados de libertad que fija las fibras ópticas (7, 8) a la cabeza
de soldadura (9), permitiendo el alineamiento de las fibras ópticas
(7, 8) hacia la base de la columna de plasma (4) y hacia el lugar en
el que se localiza el material fundido (5), así como regula la
cantidad de luz que penetra en las fibras ópticas (7, 8).
7. Método de control de calidad de cordones de
soldadura láser en procesos automatizados de soldadura en la que se
produce una radiación correspondiente al plasma generado durante la
soldadura y una radiación electromagnética emitida por el material
fundido a alta temperatura caracterizado porque comprende
las fases de:
- recolección de la radiación electromagnética
proveniente de la columna de plasma (4) y de la radiación
electromagnética emitida por el material fundido (5),
- detección de dichas radiaciones
electromagnéticas, su transformación en señales de tensión y
posterior acondicionamiento,
- amplificación de las señales,
- monitorización de las señales amplificadas,
almacenamiento y análisis en tiempo real para determinar la calidad
del cordón de soldadura,
8. Método de control de calidad de cordones de
soldadura láser en procesos automatizados según reivindicación 7
caracterizado porque el análisis en tiempo real se efectúa
en el dominio de la frecuencia y consiste en la comparación de,
parámetros asociados a bandas frecuenciales de las señales
correspondientes a las radiaciones electromagnéticas con los mismos
parámetros obtenidos en cordones de referencia, tanto defectuosos
como no defectuosos, mediante una red neuronal.
9. Método de control de calidad de cordones de
soldadura láser en procesos automatizados según reivindicación 7
caracterizado porque el análisis en tiempo real se efectúa
en el dominio temporal el análisis y consiste en la detección en el
tiempo de las desviaciones bruscas de la señal asociada a la
radiación electromagnética captada respecto a los umbrales de una
señal de referencia asociada al cordón bueno.
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|---|---|---|---|
| ES200401669A ES2255396B1 (es) | 2004-07-08 | 2004-07-08 | Instalacion y metodo de control de calidad de cordones de soldadura laser en procesos automatizados. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200401669A ES2255396B1 (es) | 2004-07-08 | 2004-07-08 | Instalacion y metodo de control de calidad de cordones de soldadura laser en procesos automatizados. |
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- 2004-07-08 ES ES200401669A patent/ES2255396B1/es not_active Expired - Fee Related
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