[实用新型]三维激光焊接和切割过程的实时监测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种对三维激光焊接和切割加工过程和质量进行实时监测的装置。

背景技术

激光焊接和切割可用于加工金属和非金属材料，且热影响区小，因光束易于导向，可采用灵活的柔性加工方法。基于以上优点，工业上，尤其在汽车、冶金、航空航天和国防等领域得到了广泛的应用。然而在激光焊接和切割加工技术被广泛应用的同时，对其加工过程和质量实施有效实时监测仍是一个亟待解决的问题，并且是进一步实施闭环控制的必要前提。在各种三维激光加工过程中，以激光焊接为例，由于影响焊接过程的因素较多，如等离子状态、焦点位置、焦点误差以及工件变形等都会影响焊接过程的稳定性及最终的熔透状态，仅仅通过固定的焊接规范难以保证获得均匀稳定的焊缝成形，易于产生未焊透或烧穿等缺陷。

因此，对加工状态进行在线实时监测成为保证激光加工质量的关键。利用光电和视觉传感器监测激光加工过程中的小孔、等离子体或熔池等产生的光辐射是激光加工过程实时监测的重要方法之一。由于监测信号中的等离子体信号的强弱决定于等离子体的温度和体积；而焊接(切割)的熔深决定于“小孔”的深度，“小孔”内的材料蒸汽正是等离子体的来源。因此，一定条件下等离子体信号的有无反映是否有“小孔”形成，信号的强度则反映了熔深的大小。红外信号的强度决定于熔池的温度分布和表面积，而熔池温度分布和表面积又决定着未来焊缝的形状。在工件背面安装传感器是较容易实现过程监测的一种方法，但由于多数情况下背面传感器难以随动，该法在工程生产中应用有限。也有从工件上方侧面对等离子体或小孔进行监测的方法，但因无法直接观测小孔内部的光辐射信息，并且不能用于二维和三维的激光加工过程。因此从加工正面特别是小孔上方对小孔内部和上方的等离子体、熔池状态进行监测，提取反映加工状态的特征信号，是实现三维激光加工过程实时监测的重要前提。而现有同轴监测技术只从熔池上方同轴采集分析一种辐射光，而不能同时采集分析熔池或等离子体辐射光，对准确判断焊接和切割质量造成困难、适用范围窄。本实用新型就是一种利用同轴检测装置从激光与材料作用区域正上方同时采集和分析熔池和等离子体辐射两种信号进行加工过程监测的一种方法，能够克服现有技术的缺点，可用于二维和三维激光加工过程，并且适应性好、可靠性高。

发明内容

本实用新型针对上述所说的现有技术的缺陷，提出了一种可用于三维激光焊接和切割等加工过程的同轴采集红外波段和等离子体辐射光信号的实时质量监测装置。

一种三维激光焊接和切割过程的实时监测装置，其特征在于：

导光镜位于激光与材料相互作用区域的正上方，用于获取熔池红外辐射和等离子体辐射光；

分光镜与导光镜位于同一光路上，用于接受从导光镜反射过来的光，其中红外辐射光透过分光镜照射至红外聚焦镜，红外光电传感器位于红外聚焦镜的焦点处，用于接收红外辐射光信号，并转化为电信号；等离子体光信号被分光镜反射，照射至等离子体聚焦镜，等离子体光电传感器位于等离子体聚焦镜的焦点处，用于接收等离子体辐射光信号，并转化为电信号；

调理电路分别与等离子体光电传感器和红外波段辐射光电传感器相连，计算机与调理电路接连，调理电路接收等离子体光电传感器和红外波段辐射光电传感器传送来的光电信号，进行放大和滤波后传送给计算机进行处理分析，得到激光加工过程的质量信息。

本装置由分光镜透射的红外波段辐射光，经红外聚焦镜聚焦到采集红外波段辐射光的光电传感器中，反射的等离子体辐射光经等离子体聚焦镜聚焦到采集等离子体辐射光的光电传感器中，红外光电传感器和等离子体光电传感器中产生的信号通过调理电路放大后输入到计算机中进行分析处理。

利用本实用新型的同轴检测装置，提供一种在各种三维激光加工过程中，如焊接、切割、打孔等，可实现实时质量监测且为三维激光加工过程中闭环控制提供更精确的信息以达到整个加工过程的自动化控制。本实用新型其主要优越性有：

(1)同轴检测加工过程信号，实现了三维激光加工过程与质量的监测；

(2)同时监测激光加工过程中反映熔池状态的红外波段辐射光和反映小孔状态的等离子体辐射光两种光信号；

(3)在激光焊接和激光切割的过程中，能够准确检测到小孔内部的穿透状态，易于获得完全熔透的信息；

(4)从信号对焊接状态发生变化时的响应速度上看，更为灵敏地反映焊接状态的变化，有可能实现熔透监测与控制。

附图说明

激光加工实时质量检测实施方案示意图，

图1：三维激光焊接和切割过程同轴监测装置示意图。