TWI738558B - 減少焊接噴濺的雷射系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種減少焊接噴濺的雷射系統及其方法，包含一控制模組係控制一雷 射光源模組輸出一雷射光源照射在一焊接位置，且接收一監視訊號並判斷該監視訊號是否產生一異常值，若產生該異常值就控制該雷射光源模組切換調降該雷射光源的輸出功率，若沒有產生該異常值就維持該調整輸出功率後的雷射光源，藉此避免該焊接位置表面突然產生大量的電漿進而減少焊接噴濺產生。

Description

減少焊接噴濺的雷射系統及其方法

本發明係有關於雷射領域，尤其關於一種具有雷射功率調整以減少焊接噴濺的雷射系統及方法。

對於傳統的雷射加工而言，例如，焊接及切割，基於成本考量，常選擇連續波紅外光做為雷射光源，然而這種習知技術在遇到加工件為高反射率材料，例如金屬銅的材料時，當雷射光束射至材料表面，材料表面會將一部分的雷射能量反射而損失，由於材料表面的雷射光反射率過高導致加工部位的表面無法吸收足夠雷射光能量而失去加工效果。

為了克服材料表面雷射光吸收率過低的問題，則必須選擇更高功率的連續波雷射來進行加工，然而加工部位會由於材料的相變化及表面電漿的產生使得瞬間雷射光吸收率升高，以至於焊接位置能量吸收過高造成表面電漿突然大量產生而產生噴濺的現象，導致加工品質不佳或無法達到預期的效果。

因此如何提供一種雷射加工系統，且具有穩定一致的雷射加工法對加工件加工即為本案之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

本發明之一目的，提供一種減少焊接噴濺的雷射系統及方法，係監視每一輸出功率的一雷射光源在一焊接位置的焊接變化狀態產生一監視訊號，並依據該監視訊號來調整該雷射光源的輸出功率，避免該焊接位置表面突然產生大量的電漿以減少焊接噴濺產生。

本發明另一目的，提供一種根據一電漿變化量或一雷射光反射變化量來判斷是否調整一雷射光源照射在一焊接位置的輸出功率，藉此找到減少焊接噴濺的雷射光源的輸出功率的雷射系統及方法。

為達成上述之目的，本發明提供一種減少焊接噴濺的雷射系統，係包含一雷射光源模組係輸出一雷射光源通過一雷射加工頭模組照射在一焊接位置一監視模組係監視該雷射光源在該焊接位置的一焊接變化狀態產生一監視訊號；一控制模組，係控制該雷射光源模組輸出該雷射光源，且根據該監視訊號產生的一異常值控制該雷射光源模切換調降該雷射光源的輸出功率，並在沒有產生該異常值時維持該雷射光源調降後的輸出功率。

一種減少焊接噴濺的方法，係包括：提供一雷射光源模組產生一雷射光源通過一雷射加工頭模組照射在一焊接位置；利用一監視模組監視該雷射光源在該焊接位置的一焊接變化狀態產生一監視訊號；利用一控制模組控制該雷射光源模組輸出該雷射光源，且根據該監視訊號產生的一異常值控制該雷射光源模切換調降該雷射光源的輸出功率，並在該監視訊號沒有產生該異常值時維持該雷射光源調整後的輸出功率。

前述該焊接位置在一加工件上，該控制模組係控制一移動模組帶動該雷射加工頭模組及該監視模組或帶動該加工件，以使該雷射光源模組及該監視模組對準於該焊接位置。

前述焊接變化狀態包括一電漿生成變化及一雷射光反射變化，該監視訊號包括一電漿生成變化訊號及一雷射光反射變化訊號。

前述異常值係為該電漿變化訊號及該雷射光反射變化訊號其中之一產生一個瞬間變化值，該瞬間變化值係為一驟升值或一驟降值。

前述監視模組具有一第一監視器器及一第二監視器，該第一監視器係監視該電漿生成變化量，該第二監視器係監視該雷射光反射變化。

前述控制模組根據該異常值調降該雷射光源的輸出功率後，持續監視及判斷該調降輸出功率的雷射光源的在該焊接位置的焊接變化狀態是否再產生該異常值，若是就繼續調降雷射光源的輸出功率，若否就維持該雷射光源的輸出功率直到焊接結束。

前述每一調降輸出功率的雷射光源在該焊接位置的焊接時間比前一輸出功率的雷射光源的焊接時間長。

10:控制模組

11:雷射光源模組

12:雷射加工頭模組

13:監視模組

131:第一監視器

132:第二監視器

14:移動模組

15:加工件

151:焊接位置

31:電漿

32:雷射光反射

P₀~P₁:輸出功率

t0~t4:照射時間

S01~S03:步驟

下列圖式之目的在於使本發明能更容易被理解，於本文中會詳加描述該些圖式，並使其構成具體實施例的一部份。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本發明之具體實施例，並用以闡述發明之作用原理。

第1A圖係為本發明雷射系統之方塊示意圖；第1B圖係為本發明雷射系統的另一實施態樣之方塊示意圖；第2圖係為本發明監視模組之方塊示意圖；第3圖係為本發明焊接位置之焊接狀態示意圖；第4圖係為本發明該雷射光輸出功率及該雷射光反射變化及電漿變化的時間曲線圖；第5圖係為本發明方法流程示意圖。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

第1A圖係為本發明雷射系統之方塊示意圖；第1B圖為本發明雷射系統另一實施態樣之方塊示意圖。如第1A圖所示的雷射系統具有一控制模組10連接一雷射光源模組11、一雷射加工頭模組12、一監視模組13及一移動模組14。該移動模組14連接該雷射加工頭模組12及該監視模組13，以帶動該雷射加工頭模組12 及該監視模組13相對一加工件15移動至該加工件15上的一焊接位置151(如第3圖)。也就是說，該加工件15不動，該雷射加工頭模組12及該監視模組13相對該加工件15移動。

如第1B圖所示，在另一替代實施，該移動模組14係帶動該加工件15相對該雷射加工頭模組12移動至該焊接位置151對應到該雷射加工頭模組12的雷射光射出位置。也就是該雷射加工頭模組12及該監視模組13不動固定在一位置，該移動模組14帶動該加工件15相對該雷射加工頭模組12移動。

前述的移動模組14例如但不限制為龍門機構或機械手臂，且可在X、Y、Z軸方向移動。

當該雷射光源模組11輸出一雷射光源時可以經由該雷射加工頭模組12聚焦對準該加工件15的焊接位置151，且該監視模組13可以監視該加工件15的焊接位置151的焊接變化狀態。

該控制模組10係控制該雷射光源模組11輸出該雷射光源通過該雷射加工頭模組12照射在該加工件15的焊接位置151，其中該雷射光源係為可調整輸出功率的連續波雷射光。舉例來說，該雷射光源模組11的輸出雷射光可以為半導體雷射、光纖雷射、二氧化碳雷射、固態雷射、液態雷射及氣體雷射、YAG雷射或其他可以產生高功率雷射光的裝置本發明不以此為限。所述的雷射光包括各波段的雷射光例如但不限制為紅外光或藍光或綠光等。

請繼續參照第2圖為本發明監視模組之方塊示意圖。如圖所示，該監視模組13具有一第一監視器131及第二監視器132，用以監視該雷射光源聚焦在該加工件15的焊接位置151的一焊接變化狀態產生一監視訊號給該控制模組10，該控制模組10根據該監視模組13的監視訊號產生一異常值控制該雷射光源模組11切換調降該雷射光源的一輸出功率，並在沒有產生該異常值時維持該雷射光源調降後的輸出功率。

請繼續參照第3圖為本發明焊接位置的焊接狀態之示意圖。如本圖及第1圖所示，該雷射光源模組11輸出的雷射光源藉由一光路(例如折射鏡組或光纖，無圖示)導引從該雷射加工頭模組12照射聚焦至該加工件15的該焊接位置151，以對該焊接位置151加熱熔融產生一電漿31及一雷射光反射32。該焊接位置151隨著雷射光源的輸出功率調整及照射時間產生焊接變化狀態，該焊接變化狀態包括一電漿生成變化及一雷射光反射變化。

通過該監視模組13的第一監視器131監視該電漿31產生的可見光波以測量該電漿生成變化產生一電漿變化訊號，及該第二監視器132監視該雷射光源照射在該焊接位置151的雷射光反射32的變化。

前述的第一監視器131及第二監視器132係為光感測器，例如但不限制為感光耦合元件式影像感測器(Charge-Coupled Device Image Sensor)、金屬氧化物半導體場效電晶體影像感測器(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Image Sensor)、光電二極體陣列(photodiode array)或其他適於監控該電漿31產生的可見光波及該雷射反射光的裝置。

詳細而言，該控制模組11係利用該監視模組13監控加工件15的焊接位置151的該電漿生成變化用以判斷該焊接位置151的電漿變化量，電漿的生成變化影響該雷射光反射量。當該焊接位置151的雷射光反射32突然變少表示雷射光吸收率變高導致該焊接位置151吸收過量雷射光能量，使得電漿31的電漿生成瞬間提升，表示電漿31大量產生，該監視模組13的電漿生成變化訊號產生一瞬間變化值係為一驟升值，該控制模組11判斷該電漿生成變化訊號的驟升值為異常值立即控制該雷射光源模組11切換降低該雷射光源的輸出功率，使該焊接位置151的電漿31的電漿生成降低。另外，由於雷射光反射32突然變少表示雷射光吸收率變高，使該雷射光反射訊號產生一個瞬間變化值為一驟降值。該控制模組11可以判斷該雷射光反射訊號的驟降值為異常值。

該控制模組11繼續利用該監視模組13監視降低輸出功率的雷射光源照射在該焊接位置151的焊接狀態，若該焊接狀態又產生一異常值也就是該電漿生成變化訊號又產生一驟升值，該控制模組11控制該雷射光源模組11再一次切換該雷射光源的輸出功率比前一次輸出功率低，使得每一調降輸出功率的雷射光源在該焊接位置151的焊接時間比前一輸出功率的雷射光源的焊接時間長，造成該焊接位置151的電漿31的電漿生成降低至一適當量。伴隨每一次電漿生成變化訊號產生的驟升值，該雷射光反射訊號產生驟降值，可供控制模組11輔助參考判斷是否調降該雷射光源的輸出功率。

當調降輸出功率的雷射光源照射在該焊接位置151的焊接變化狀態沒有產生異常也就是該電漿生成變化訊號沒有驟升值，此時該雷射光反射訊號沒有驟降值，該控制模組10判斷該監視訊號沒有產生異常值維持該調降輸出功率雷射光源直到焊接結束，藉此控制焊接位置151的電漿31的電漿生成在一適當量避免產生噴濺現象。

以下將舉例說明雷射光輸出功率的調整與電漿生成變化雷射光反射變化的關係。

請繼續參考第4圖所示，係為本發明該雷射光輸出功率及該雷射光反射變化及電漿變化的時間曲線圖。其中圖中所表示的t0至t3表示雷射光源照射在該焊接位置的照射時間，時間長短係為t₃大於t₂大於t₁大於t₀。

如圖所示，在雷射焊接時，控制模組10控制該雷射光源模組11以一預設輸出功率P₀的雷射光源照射在該焊接位置151的照射時間t₀後該焊接位置151的電漿31生成產生第一個驟升，該雷射光反射產生第一個驟降。控制模組10控制該雷射光源模組11調降該雷射光源從預設輸出功率P₀切換至輸出功率P₁後持續照射t₁秒該焊接位置151的電漿31生成產生第二驟降，該雷射光反射產生第二個驟降。控制模組10控制該雷射光源模組11調降該雷射光源從輸出功率P₁切換至輸出功 率P₂後持續照射t₂秒後，該焊接位置151的電漿31生成產生第三個驟升，該雷射光反射產生第三個驟降。控制模組10控制該雷射光源模組11調降該雷射光源從輸出功率P₂切換至輸出功率P₃後照射在該焊接位置151，該焊接位置151的電漿31生成沒有驟升，控制模組10維持該輸出功率P₃持續照射t₃秒焊接結束。

因此，在每一焊接位置151的電漿31大量產生時控制模組10控制該雷射光源模組11調整降低雷射光源的輸出功率，以維持電漿31的電漿生成在一適當量避免產生噴濺現象。

請繼續參考第5圖本發明方法流程示意圖。如圖所示，包含以下步驟：

步驟S01提供一雷射光源模組11產生一雷射光源通過一雷射加工頭模組12照射在一焊接位置151。

在本步驟，雷射光源模組11首先以一預設高輸出功率的雷射光源輸出然後切換降低該輸出功率。

步驟S02利用一監視模組13監視該雷射光源在該焊接位置151的一焊接變化狀態產生一監視訊號。

在本步驟，監視模組11監視不同輸出功率的雷射光源聚焦在該加工件15的焊接位置151的一焊接狀態產生一監視訊號給該控制模組10。

步驟S03利用一控制模組10控制該雷射光源模組11輸出該雷射光源，且根據該監視訊號產生的一異常值控制該雷射光源模組11切換調降該雷射光源的輸出功率，並在該監視訊號沒有產生該異常值時維持該雷射光源調降後的輸出功率。

在本步驟該控制模組10首先控制該雷射光源模組11以該預設高輸出功率的雷射光源例如3000w照射到該焊接位置151用以克服低雷射光吸收率問題。然後接收該監視模組13的監視訊號並判斷該是否產生異常值，若產生異常值表示該焊接變化狀態異常例如電漿31大量產生，就調降該雷射光源的輸出功率，然後持續監視及判斷該調降輸出功率的雷射光源的在該焊接位置的焊接變化狀 態是否再產生該異常值，若是就繼續調降雷射光源的輸出功率，若否就維持該雷射光源的輸出功率直到焊接結束，藉此減少焊接噴濺。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍。

10:控制模組

11:雷射光源模組

12:雷射加工頭模組

13:監視模組

14:移動模組

15:加工件

Claims (11)

1. 一種減少焊接噴濺的雷射系統，係包含：一雷射光源模組，係輸出一雷射光源通過一雷射加工頭模組照射在一焊接位置；一監視模組，係監視該雷射光源在該焊接位置的一焊接變化狀態產生一監視訊號，該焊接變化狀態包括一電漿生成變化及一雷射光反射變化，該監視訊號包括一電漿生成變化訊號及一雷射光反射變化訊號；一控制模組，係控制該雷射光源模組輸出該雷射光源，且根據該監視訊號產生一異常值控制該雷射光源模組切換調降該雷射光源的輸出功率，並在沒有產生該異常值時維持該雷射光源調降後的輸出功率。
2. 如請求項1所述之減少焊接噴濺的雷射系統，其中該焊接位置在一加工件上，該控制模組係控制一移動模組帶動該雷射加工頭模組及該監視模組或帶動該加工件，以使該雷射加工頭模組及該監視模組對準於該焊接位置。
3. 如請求項1所述之減少焊接噴濺的雷射系統，其中該異常值係為該電漿生成變化訊號及該雷射光反射變化訊號其中之一產生一個瞬間變化值，該瞬間變化值係為一驟升值或一驟降值。
4. 如請求項1所述之減少焊接噴濺的雷射系統，其中該監視模組具有一第一監視器及一第二監視器，該第一監視器係監視該電漿生成變化，該第二監視器係監視該雷射光反射變化。
5. 如請求項1所述之減少焊接噴濺的雷射系統，其中該雷射光源模組每一次切換雷射光源的輸出功率比前一次輸出功率低。
6. 一種減少焊接噴濺的方法，係包括：一雷射光源模組產生一雷射光源通過一雷射加工頭模組照射在一焊接位置；利用一監視模組監視該雷射光源在該焊接位置的一焊接變化狀態產生一監視訊號；利用一控制模組控制該雷射光源模組輸出該雷射光源，且根據該監視訊號產生的一異常值控制該雷射光源模切換調降該雷射光源的輸出功率，並在該監視訊號沒有產生該異常值時維持該雷射光源調降後的輸出功率。
7. 如請求項6所述之減少焊接噴濺的方法，其中該焊接變化狀態包括一電漿生成變化及一雷射光反射變化，該監視訊號係為一電漿生成變化訊號及一雷射光反射變化訊號。
8. 如請求項6所述之減少焊接噴濺的方法，其中該異常值係為該電漿生成變化訊號及該雷射光反射變化訊號其中之一產生一個瞬間變化值，該瞬間變化值係為一驟升值或一驟降值。
9. 如請求項6所述之減少焊接噴濺的方法，其中該監視模組具有一第一監視器器及一第二監視器，該第一監視器係監視該電漿生成變化，該第二監視器係監視該雷射光反射變化。
10. 如請求項6所述之減少焊接噴濺的方法，其中該控制模組根據該異常值調降該雷射光源的輸出功率後，持續監視及判斷該調降輸出功率的雷射光源的在該焊接位置的焊接變化狀態是否再產生該異常值，若是就繼續調降雷射光源的輸出功率，若否就維持該雷射光源的輸出功率直到焊接結束。
11. 如請求項6所述之減少焊接噴濺的方法，其中每一調降輸出功率的雷射光源在該焊接位置的焊接時間比前一輸出功率的雷射光源的焊接時間長，且每一次調降雷射光源的輸出功率比前一次輸出功率低。

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