PL162344B1 - Sposób i urzadzenie do kontroli spawania laserowego PL PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób kontroli spawania laserowego, w którym poddaje sie przedmiot dzialaniu energii laserowej, pod- czas którego skupia sie wiazke laserowa dostarczana z glównego lasera, przy pomocy ukladu ogniskujacego, w plamce na przedmiocie poddawanym obróbce, kieruje sie swiatlo z dodatkowego lasera badajacego za pomoca zwierciadla na przedmiot poddawany obróbce, wykrywa, sie przy pomocy ukladu detekcji odbite swiatlo pocho- dzace z lasera badajacego i odbijane z powrotem od przedmiotu poddawanego obróbce, znamienny tym, ze kieruje sie swiatlo z lasera badajacego (23) w torze okre- znym (6), otaczajacym skupiona plamke (3), przy pomocy pólprzezroczystego zwierciadla (5), mierzy sie parametry swiatla odbitego od przedmiotu i wykrywanego przez uklad detekcji (22), przy po mocy ukladu analizujacego i reguluje sie polozenie plamki (3) wzgledem wymaganego polozenia spoiny na podstawie tych zmierzonych para- metrów swiatla i pom iaru toru wiazki laserowej, przy pomocy ukladów (27,21) sterujacych ogniskiem soczewki (2) i prowadzeniem wiazki (1). 4. Urzadzenie do kontroli spawania laserowego, zawierajace glówny laser spawalniczy, uklad ogniskujacy wprowadzany pomiedzy glównym laserem i przedmio- tem poddawanym obróbce, na którym wystepuje plamka wiazki laserowej, dodatkowy laser badajacy wyposazony w zwierciadlo kierujace swiatlo z lasera badajacego na przedmiot poddawany obróbce, uklad detekcji wiazki laserowej wprowadzony pomiedzy glównym laserem a laserem badajacym po jednej stronie i ukladem ognisku- jacym po drugiej stronie, znamienne tym, . . . FIG 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do kontroli spawania laserowego.

Znane jest zastosowanie laserów do spawania, szczególnie korzystne przy automatycznej produkcji karoserii samochodów i podobnych wyrobów. Przy spawaniu laserowym nie ma konieczności styku fizycznego pomiędzy urządzeniem do spawania i spawanym przedmiotem, występuje możliwość spawania przedmiotu z jednej strony i nie ma konieczności stosowania spoiwa. Trudne jest natomiast dokładne sterowanie miejscem spawania, co jest konieczne na przykład przy produkcji samochodów. Oprócz spawania laserowego obróbka laserowa może dotyczyć także innych operacji, takich jak kształtowanie lub cięcie, obróbka cieplna itd.

Znane jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 689 159 urządzenie do obróbki laserowej, w którym wiązka kontrolna równoległych promieni świetlnych, wytwarzana w razie potrzeby przez laser, jest kierowana przez zwierciadło na tor laserowej wiązki kształtującej i obie wiązki są rzutowane poprzez soczewkę ogniskującą na przedmiot poddawany obróbce, a ich punkty skupiania są zgodne. Wiązka kontrolna jest modulowana przez płytkę wibracyjną i zmiany wyjściowego światła modulowanego, odbijanego od przedmiotu, są stosowane do detekcji stanu rozogniskowania i dostarczania sygnału korekcyjnego. Ten układ wykrywajedynie przesunięcia do góry i do dołu, lecz nie na boki.

Znane jest ze zgłoszenia PCT w Stanach Zjednoczonych Ameryki nr 82/01235 urządzenie do spawania, w którym wiązka laserowa jest prowadzona w torze kołowym wokół śledzonego punktu

162 344 z wyprzedzaniem położenia, w którym zachodzi spawanie. Umożliwia to sterowanie miejscem spawania, lecz nie umożliwia pomiaru· tego, czy spawanie jest przeprowadzane we właściwym miejscu lub czy przebiega prawidłowo, a także wymaga obracania elementów śledzących względem punktów spawania usytuowanych wzdłuż linii prostych lub o innym kształcie.

Znane są także urządzenia wykorzystujące telewizję do kontroli toru spawania, jednak zwykle nie charakteryzują się one szybką reakcją oraz podlegają zakłóceniom przez światło promieniowane przy spawaniu.

Problemem jest prawidłowe ustawienie poziome i pionowe plamki wiązki laserowej skupianej na przedmiocie poddawanym spawaniu, kształtowaniu lub cięciu przy obróbce laserowej obejmującej wszystkie te operacje.

Znane jest z opisu patentowego RFN nr 3 318 968 urządzenie do odchylania wiązki laserowej przy obróbce cieplnej elementów, które zawiera źródło laserowe, dwa zwierciadła obrotowe i jedno zwierciadło nieruchome.

Znane jest z europejskiego zgłoszenia patentowego nr 0 110 231 urządzenie do ogniskowania i odchylania wiązki laserowej, które zawiera źródło laserowe i parę zwierciadeł wklęsłych, przy czym każde zwierciadło jest obracane wokół osi innej niż oś symetrii samego zwierciadła.

Oba te ostatnio wymienione urządzenia przesuwają wiązki laserowe wzdłuż uprzednio określonego toru, ale nadal jest problemem detekcja, czy plamka wiązki laserowej obrabiającej przedmiot jest w prawidłowym położeniu roboczym.

Sposób według wynalazku polega na tym, że kieruje się światło z lasera badającego w torze okrężnym, otaczającym skupioną plamkę, przy pomocy półprzezroczystego zwierciadła, mierzy się parametry światła odbitego od przedmiotu i wykrywanego przez układ detekcji, przy pomocy układu analizującego i reguluje się położenie plamki względem wymaganego położenia spoiny na podstawie tych zmierzonych parametrów światła i pomiaru toru wiązki laserowej, przy pomocy układu sterującego ogniskiem i prowadzeniem wiązki.

Korzystnie według wynalazku kieruje się światło z lasera badającego w torze okrężnym, zakreślającym powierzchnię stożka otaczającego skupioną plamkę.

W jednym przykładzie wykonania wynalazku dokonuje się pomiaru średnicy koła zakreślanego przez światło z lasera badającego, przez co określa się ognisko układu ogniskującego.

W urządzeniu według wynalazku pomiędzy laserem badającym i półprzezroczystym zwierciadłem kształtującym wiązkę stożkową jest wprowadzone zwierciadło obrotowe wokół osi ustawionej w przybliżeniu pod kątem prostym do jego powierzchni, korzystnie 88°.

W przypadku, gdy urządzenie wykonuje spoinę pachwinową wzdłuż określonego toru, wiązka badająca, otaczająca plamkę spawania, przechodzi nad miejscem spawania w jednym punkcie i w przybliżeniu pod kątem 180° od tego miejsca przechodzi nad punktem, w którym spawanie miało już miejsce. Przy spawaniu przeprowadza się kontrolę kolejnych punktów spawania dających całkowitą spoinę, mierząc przez cały czas położenie plamki. Jakiekolwiek przesunięcia plamki powodują wytwarzanie sygnału korekcyjnego do przesuwania miejsca spawania. Dzięki temu można przeprowadzać sterowanie położeniem poprzecznym plamki spawania. Natomiast poprzez stożkowe ukształtowanie wiązki zapewnianyjest skuteczny sposób pomiaru ogniska wiązki a przez to sterowanie położeniem pionowym plamki spawania.

Zaletą wynalazku jest umożliwienie detekcji, czy plamka wiązki laserowej obrabiającej przedmiot jest w prawidłowym położeniu roboczym.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w schemacie całe urządzenie do kontroli spawania laserowego, fig. 2 - układ optyczny z laserem badającym, fig. 3 - układ optyczny z laserem badającym i układem detekcji, fig. 4 - drugi przykład wykonania układu optycznego z laserem badającym i układem detekcji, fig. 5 -przedmiot poddawany obróbce ze spoiną pachwinową, fi. 6 - przedmiot z fig. 5 w widoku z góry i fig. 7 - przedmiot z fig. 5 w widoku z góry, w przypadku niewspółliniowości.

Pokazane na fig. 1 urządzenie do kontroli spawania laserowego zawiera główny laser spawalniczy 20 i układ prowadzenia 21 wiązki, który kieruje wiązkę laserową 1 przez układ ogniskujący 2, zwykle soczewkę ZnSe, w wyniku czego uzyskuje się plamkę 3 wiązki laserowej spawania na przedmiocie 4 poddawanym obróbce.

162 344

Do spawania elementów karoserii samochodów można użyć lasera CO2 zapewniającego dostatecznie dużą moc wiązki laserowej prowadzonej przez zwierciadła (na przykład w robocie), przy czym wiązka wychodzi przez małą dyszę (nie pokazaną na fig. 1), umieszczoną kilka milimetrów od przedmiotu poddawanego obróbce. Gaz ochronny, np. azot lub argon, jest wdmuchiwany do głowicy spawalniczej w miejscu bezpośrednio pod soczewką i następnie wychodzi przez dyszę, dzięki czemu materiał spoiny i żadne odpady nie zanieczyszczają soczewki.

Dodatkowy laser badający 23 kieruje wiązkę laserową przez układ analizujący 22 i półprzezroczyste zwierciadło 5 kształtujące wiązkę stożkową 6. Tor wiązki stożkowej 6 przechodzi przez soczewkę ogniskującą 2 i zależy od przesunięcia oraz ogniskowej tej soczewki, wpływając na wiązkę laserową 1 głównego lasera spawalniczego 20.

Główny czujnik spawania 24 odbiera część głównej wiązki laserowej 1, odbitą od półprzezroczystego zwierciadła 5, umożliwiając całkowity pomiar toru wiązki laserowej 1 względem soczewki ogniskującej 2. Informacja ta jest dostarcza do głównego układu sterującego 25.

Sygnały otrzymuje się także w wyniku badania wiązki stożkowej 6 po odbiciu od przedmiotu 4 poddawanego obróbce. Wiązka tajest kierowana z powrotem torem wiązki stożkowej 6 do układu analizującego 22, gdzie w wyniku analizy otrzymuje się sygnał sterujący, który jest podawany poprzez układ przetwarzania 26 sygnałów torem 8 do głównego układu sterującego 25.

Główny układ sterujący 25 dostarcza sygnały sterowania dokładnego torem 9 do układu regulacji 27 ogniska soczewki 2 oraz torem 10 do układu 21 prowadzenia wiązki. Poza tym główny układ sterujący 25 może dostarczać sygnały sterowania zgrubnego torem 7 do układu prowadzenia 21 wiązki w celu szybkiego ustawienia zgrubnego plamki 3 spawania względem przedmiotu 4 poddawanego obróbce, na przykład na początku i podczas spawania w połączeniu z sygnałami sterowania dokładnego w celu wywołania większych przesunięć.

Figura 2 przedstawia bardziej szczegółowo układ optyczny z laserem badającym 23.

Laser badający 23 kieruje wiązkę do obrotowego zwierciadła 11. Zwierciadło 11 obraca się wokół osi 12 ustawionej w przybliżeniu pod kątem prostym do jego powierzchni, np. 88°, dzięki czemu jest wytwarzana wiązka stożkowa. Ten kąt można wybrać w zależności od konfiguracji układu, przy czym im kąt jest bliższy 90°, tym mniejszy jest kąt wytwarzanej wiązki stożkowej. Wiązka przechodzi przez soczewkę ogniskującą 2 i następnie przez otwór wylotowy dyszy 13 i jest skupiana na przedmiocie 4 poddawanym obróbce w miejscu plamki 3 wiązki laserowej spawania. Wymiar otworu dyszy wynosi korzystnie około 8 mm i jest oddalony o 3 do 4 mm od przedmiotu obrabianego. Okrąg otrzymany w wyniku rzutowania wiązki badającej ma średnicę korzystnie około 6 do 8 mm i zapewnia optymalne wyniki bez stosowania ekranowania lub oddziaływania ze strony dyszy, przy właściwym doborze kąta zwierciadła obrotowego.

Figura 3 i 4 przedstawiają dwa przykłady wykonań układów optycznych z laserem badającym 23 i układem analizującym 22 w postaci detektorów.

Przedstawione na fig. 3 półprzezroczyste zwierciadło 14 jest umieszczone w torze powrotnej wiązki laserowej przed obrotowym zwierciadłem 11. Wiązka powrotna jest następnie kierowana do detektora położenia 22, wykrywającego okręg zakreślany przez wiązkę. Wykrywanie środka okręgu jest wykorzystywane do zapobiegania odbiorowi promieniowania z plamki spoiny przez detektor położenia 22. Detektor położenia 22 ma duży obszar światłoczuły dzięki czemu wiązkajest wykrywana przez cały czas. Ognisko można mierzyć poprzez pomiar średnicy okręgu odbitego światła, która zmienia się wraz z wysokością stożka a zatem z długością wiązki. Pomiaru tego można dokonać poprzez badanie natężenia światła w różnych momentach czasu.

W drugim przykładzie wykonania układu optycznego z laserem badającym 23, półprzezroczyste zwierciadło 15 jest umieszczone w torze wiązki laserowej odbitej od obrotowego zwierciadła 11. Odbite światło powraca do pojedynczego punktu (zamiast okręgu) i dzięki temu można kontrolować zmieniające się natężenie bardzo dokładnie. Można też łatwiej zapobiegać odbiorowi przez detektor 22 promieniowania z zewnątrz, np. z samej spoiny. W tym przykładzie wykonania ognisko mierzy się przy zastosowaniu astygmatycznego układu detekcji ogniska (np. do pomiaru ogniska lasera odtwarzającego w odtwarzaczu płyt kompaktowych).

W obu powyższych przykładach wykonania, pokazanych na fig. 3 i 4, zapobiega się dochodzeniu światła z zewnątrz do układu optycznego przez użycie wąskopasmowego filtru optycznego, którego przenoszona długość fali jest dopasowana do długości fali lasera badającego 23. Poza tym

162 344 wiązka lasera badającego 23 może mieć amplitudę modulowaną i może być zastosowany układ detekcji wzmacniacza blokującego, stosowany do dalszego usuwania sygnałów pochodzących z zewnątrz, szczególnie uzyskiwanych z promieniowania wysyłanego przez plamkę spoiny, które zwykle ma znaczną składową niskoczęstotliwościową.

Operacja spawania i sposób detekcji położenia poprzecznego spoiny zostaną opisane w oparciu o fig. 5, 6 i 7 dla przypadku spoiny pachwinowej.

Pokazane na fig. 5 dla metalowe arkusze 16 i 17 wymagają wykonania spoiny pachwinowej 18 wzdłuż linii styku pomiędzy nimi.

Plamka spawania 18 występuje prawidłowo w środkowych punktach pomiędzy arkuszami 16 i 17. Przy spawaniu w wyniku względnego ruchu pomiędzy przedmiotem poddawanym obróbce (dwoma arkuszami) i urządzeniem do spawania, tor 19 wyznacza kierunek szwu. Wiązka badająca 20 zakreśla tor okrężny otaczający punkt środkowy czynnej plamki spawania 18 i odbija się z powrotem od powierzchni, na którą pada w danym momencie. Odbicie jest minimalne przy przechodzeniu przez szew w położeniu a bez spawania i maksymalne przy przechodzeniu przez płaski metal w położeniu b i d, co pokazano na fig. 5 i 6.

Figura 6 przedstawia przykład z fig. 5 w widoku z góry, z uwidocznieniem czterech stanów w położeniach: a - mininalne odbicie, b - maksymalne odbicie, c - minimalne odbicie i pewne odbicie od samej spoiny i d - maksymalne odbicie.

W stanie, w którym spoina jest prawidłowo usytuowana w środku szwu, te cztery stany stanowią podstawę przy analizie okręgu.

Jeżeli jednak spoina jest usytuowana w punkcie poza środkiem okręgu, to te cztery stany nie występują już we właściwym czasie i należy stosować sygnały korekcyjne.

Figura 7 przedstawia w przesadnej postaci stan, w którym linia spawania straciła wymagany tor szwu i regulacja w czasie czterech stanów zmienia się.

W dodatku, jeżeli jest stosowana konfiguracja z fig. 4, uzyskiwany sygnał zmienia się również, gdy wiązka badająca przechodzi nad położeniami a i c z fig. 6. Można to wykorzystać zamiast lub w połączeniu z sygnałami uzyskiwanymi w wyniku zmian odbijania opisanego powyżej.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontroli spawania laserowego, w którym poddaje się przedmiot działaniu energii laserowej, podczas którego skupia się wiązkę laserową dostarczaną z głównego lasera, przy pomocy układu ogniskującego, w plamce na przedmiocie poddawanym obróbce, kieruje się światło z dodatkowego lasera badającego za pomocą zwierciadła na przedmiot poddawany obróbce, wykrywa się przy pomocy układu detekcji odbite światło pochodzące z lasera badającego i odbijane z powrotem od przedmiotu poddawanego obróbce, znamienny tym, że kieruje się światło z lasera badającego (23) w torze okrężnym (6), otaczającym skupioną plamkę (3), przy pomocy półprzezroczystego zwierciadła (5), mierzy się parametry światła odbitego od przedmiotu i wykrywanego przez układ detekcji (22), przy pmocy układu analizującego i reguluje się położenie plamki (3) względem wymaganego położenia spoiny na podstawie tych zmierzonych parametrów światła i pomiaru toru wiązki laserowej, przy pomocy układów (27,21) sterujących ogniskiem soczewki (2) i prowadzeniem wiązki (1).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kieruje się światło z lasera badającego (23) w torze okrężnym (6), zakreślającym powierzchnię stożka otaczającego skupioną plamkę (3).

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że dokonuje się pomiaru średnicy koła zakreślonego przez światło z lasera badającego (23), przez co określa się ognisko układu ogniskującego.

4. Urządzenie do kontroli spawania laserowego, zawierające główny laser spawalniczy, układ ogniskujący wprowadzany pomiędzy głównym laserem i przedmiotem poddawanym obróbce, na którym występuje plamka wiązki laserowej, dodatkowy laser badający wyposażony w zwierciadło kierujące światło z lasera badającego na przedmiot poddawany obróbce, układ detekcji wiązki laserowej wprowadzony pomiędzy głównym laserem a laserem badającym po jednej stronie i układem ogniskującym po drugiej stronie, znamienne tym, że pomiędzy laserem badającym (23) i półprzezroczystym zwierciadłem (5) kształtującym wiązkę stożkową (6) jest wprowadzone zwierciadło (11) obrotowe wokół osi (12) ustawionej w przybliżeniu pod kątem prostym do jego powierzchni, korzystnie 88°.