專利名稱：三維激光焊接和切割過程的實時監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種對三維激光焊接和切割加工過程和質(zhì)量進行實 時監(jiān)測的裝置。
背景技術(shù)：
激光焊接和切割可用于加工金屬和非金屬材料，且熱影響區(qū)小，因光 束易于導(dǎo)向，可采用靈活的柔性加工方法?；谝陨蟽?yōu)點，工業(yè)上，尤其 在汽車、冶金、航空航天和國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而在激光焊 接和切割加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用的同時，對其加工過程和質(zhì)量實施有效實時 監(jiān)測仍是一個亟待解決的問題，并且是進一步實施閉環(huán)控制的必要前提。 在各種三維激光加工過程中，以激光焊接為例，由于影響焊接過程的因素 較多，如等離子狀態(tài)、焦點位置、焦點誤差以及工件變形等都會影響焊接 過程的穩(wěn)定性及最終的熔透狀態(tài)，僅僅通過固定的焊接規(guī)范難以保證獲得 均勻穩(wěn)定的焊縫成形，易于產(chǎn)生未焊透或燒穿等缺陷。因此，對加工狀態(tài)進行在線實時監(jiān)測成為保證激光加工質(zhì)量的關(guān)鍵。 利用光電和視覺傳感器監(jiān)測激光加工過程中的小孔、等離子體或熔池等產(chǎn) 生的光輻射是激光加工過程實時監(jiān)測的重要方法之一。由于監(jiān)測信號中的等離子體信號的強弱決定于等離子體的溫度和體積;而焊接(切割)的熔 深決定于"小孔"的深度,"小孔"內(nèi)的材料蒸汽正是等離子體的來源。因此， 一定條件下等離子體信號的有無反映是否有"小孔"形成，信號的強度則反 映了熔深的大小。紅外信號的強度決定于熔池的溫度分布和表面積，而熔 池溫度分布和表面積又決定著未來焊縫的形狀。在工件背面安裝傳感器是 較容易實現(xiàn)過程監(jiān)測的一種方法，但由于多數(shù)情況下背面?zhèn)鞲衅麟y以隨 動，該法在工程生產(chǎn)中應(yīng)用有限。也有從工件上方側(cè)面對等離子體或小孔
進行監(jiān)測的方法，但因無法直接觀測小孔內(nèi)部的光輻射信息，并且不能用于二維和三維的激光加工過程。因此從加工正面特別是小孔上方對小孔內(nèi)部和上方的等離子體、熔池狀態(tài)進行監(jiān)測，提取反映加工狀態(tài)的特征信號，是實現(xiàn)三維激光加工過程實時監(jiān)測的重要前提。而現(xiàn)有同軸監(jiān)測技術(shù)只從熔池上方同軸采集分析一種輻射光，而不能同時采集分析熔池或等離子體輻射光，對準確判斷焊接和切割質(zhì)量造成困難、適用范圍窄。本實用新型就是一種利用同軸檢測裝置從激光與材料作用區(qū)域正上方同時采集和分析熔池和等離子體輻射兩種信號進行加工過程監(jiān)測的一種方法，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，可用于二維和三維激光加工過程，并且適應(yīng)性好、可靠性高。發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對上述所說的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種可用于三 維激光焊接和切割等加工過程的同軸采集紅外波段和等離子體輻射光 信號的實時質(zhì)量監(jiān)測裝置。一種三維激光焊接和切割過程的實時監(jiān)測裝置，其特征在于導(dǎo)光鏡位于激光與材料相互作用區(qū)域的正上方，用于獲取熔池紅外輻射和等離子體輻射光；分光鏡與導(dǎo)光鏡位于同一光路上，用于接受從導(dǎo)光鏡反射過來的 光，其中紅外輻射光透過分光鏡照射至紅外聚焦鏡，紅外光電傳感器位 于紅外聚焦鏡的焦點處，用于接收紅外輻射光信號，并轉(zhuǎn)化為電信號； 等離子體光信號被分光鏡反射，照射至等離子體聚焦鏡，等離子體光電 傳感器位于等離子體聚焦鏡的焦點處，用于接收等離子體輻射光信號， 并轉(zhuǎn)化為電信號；調(diào)理電路分別與等離子體光電傳感器和紅外波段輻射光電傳感器 相連，計算機與調(diào)理電路接連，調(diào)理電路接收等離子體光電傳感器和紅 外波段輻射光電傳感器傳送來的光電信號，進行放大和濾波后傳送給計 算機進行處理分析，得到激光加工過程的質(zhì)量信息。本裝置由分光鏡透射的紅外波段輻射光，經(jīng)紅外聚焦鏡聚焦到采集 紅外波段輻射光的光電傳感器中，反射的等離子體輻射光經(jīng)等離子體聚 焦鏡聚焦到采集等離子體輻射光的光電傳感器中，紅外光電傳感器和等 離子體光電傳感器中產(chǎn)生的信號通過調(diào)理電路放大后輸入到計算機中 進行分析處理。利用本實用新型的同軸檢測裝置，提供一種在各種三維激光加工過 程中，如焊接、切割、打孔等，可實現(xiàn)實時質(zhì)量監(jiān)測且為三維激光加工過 程中閉環(huán)控制提供更精確的信息以達到整個加工過程的自動化控制。本實用新型其主要優(yōu)越性有(1) 同軸檢測加工過程信號，實現(xiàn)了三維激光加工過程與質(zhì)量的監(jiān)測；(2) 同時監(jiān)測激光加工過程中反映熔池狀態(tài)的紅外波段輻射光和反映 小孔狀態(tài)的等離子體輻射光兩種光信號；(3) 在激光焊接和激光切割的過程中，能夠準確檢測到小孔內(nèi)部的穿透 狀態(tài)，易于獲得完全熔透的信息；(4) 從信號對焊接狀態(tài)發(fā)生變化時的響應(yīng)速度上看，更為靈敏地反映 焊接狀態(tài)的變化，有可能實現(xiàn)熔透監(jiān)測與控制。


激光加工實時質(zhì)量檢測實施方案示意圖，圖l:三維激光焊接和切割過程同軸監(jiān)測裝置示意圖。 圖2:主箱體裝配示意圖。 圖3:側(cè)箱體裝配示意圖。 圖4:連接板示意圖。圖5:用于紅外波段輻射光采集的紅外光電傳感器裝夾筒示意圖。 圖6:用于等離子體輻射光采集的光電傳感器裝夾筒示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖解釋本實用新型的具體實施方式
圖l所示為三維激光焊接和切割過程同軸監(jiān)測裝置示意圖，導(dǎo)光鏡l 由第一鏡片壓環(huán)12固定于第一鏡片支座13上，第一鏡片支座13固定于主
箱體8中。激光聚焦鏡9固定在噴嘴上方的機械裝置中。分光鏡2由第二 鏡片壓環(huán)14固定于第二鏡片支座15上，第二鏡片支座15固定于側(cè)箱體4 中。連接板3連接左側(cè)的主箱體8和右側(cè)的側(cè)箱體4。用于采集紅外波段 輻射光的紅外光電傳感器裝夾筒5由螺栓固定在側(cè)箱體4右側(cè)的凸板上， 用于采集等離子體輻射光的光電傳感器裝夾筒6由螺栓固定在側(cè)箱體4 下方的凸板上。紅外光電傳感器19和等離子體光電傳感器26產(chǎn)生的信號 由光纜傳輸?shù)秸{(diào)理電路IO，輔助聲傳感器7與調(diào)理電路10相連，提取的 信息可進一步增加系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性。信號經(jīng)調(diào)理電路10放大后再輸入 計算機ll進行處理分析，得到激光加工過程的質(zhì)量信息。圖2進一步描述主箱體8裝配結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光鏡1由第一鏡片壓環(huán)12固定于 第一鏡片支座13上，第一鏡片壓環(huán)12有螺紋螺旋面，與第一鏡片支座13 擬合；第一鏡片支座13為三角結(jié)構(gòu)，斜面中部放置導(dǎo)光鏡l，垂直面中 部有一相應(yīng)大小的園孔，水平面兩側(cè)各有一對稱凸臺，與主箱體8下方 兩側(cè)凹槽擬合。圖3表示側(cè)箱體4裝配結(jié)構(gòu)，分光鏡2用第二鏡片壓環(huán)14固定于第二鏡 片支座15上，第二鏡片壓環(huán)14有螺紋螺旋面，與第二鏡片支座15擬合； 第二鏡片支座15為三角結(jié)構(gòu)，斜面中部放置分光鏡2，垂直面中部有一 相應(yīng)大小的小孔，水平面兩側(cè)各有一對稱凸臺，與側(cè)箱體4上方兩側(cè)凹 槽擬合。側(cè)箱體4右側(cè)和下方各有一凸板，凸板上有凹槽，紅外光電傳 感器裝夾筒5及等離子體光電傳感器裝夾筒6通過螺栓分別裝置在凹槽 中，并可沿軸線做20mm的水平移動。圖4表示連接板3結(jié)構(gòu)，右圖為連接板側(cè)視圖，下方螺紋孔通過螺釘 與側(cè)箱體4連接，垂直面螺紋孔通過螺釘與主箱體8連接。圖5表示用于紅外波段輻射光采集的紅外光電傳感器裝夾筒5結(jié)構(gòu)， 紅外聚焦鏡18由紅外聚焦鏡壓蓋17固定在紅外光電傳感器主筒16中，紅 在紅外傳感器滑筒20中，紅外傳感器滑筒20在紅外 光電傳感器主筒16中可做沿軸線50mra的水平移動。第一主筒上夾盤21、 第一主筒下夾盤22和紅外光電傳感器主筒16三者通過螺栓連接，組成的 紅外光電傳感器裝夾筒5通過螺栓固定在側(cè)箱體4的右側(cè)。圖6表示用于等離子體輻射光采集的光電傳感器裝夾筒6結(jié)構(gòu)，等離 子體聚焦鏡25由聚焦鏡壓蓋24固定在光電傳感器主筒23中，用于將分光 鏡2反射過來的等離子體光信號聚焦到等離子體光電傳感器26的光敏面 上；等離子體光電傳感器26接收的等離子體輻射光波段為300nm 700nm;等離子體光電傳感器26固定在光電傳感器滑筒27中，光電傳感器滑 筒27在光電傳感器主筒23中可做沿軸線50mm的移動。第二主筒上夾盤 28、第二主筒下夾盤29和光電傳感器主筒23三者通過螺栓連接，組成的 等離子體光電傳感器裝夾筒6通過螺栓固定在側(cè)箱體4的下方。為了實現(xiàn)本實用新型所述的三維激光加工過程實時質(zhì)量監(jiān)測方法， 要用一臺固體YAG或C02激光器及可傳輸激光的光路，以及光電接受元器件，信號前置處理電路與計算機信號采集系統(tǒng)。下面結(jié)嗇具體實例說明三維激光加工過程實時質(zhì)量監(jiān)測方法。本實用新型的加工和質(zhì)量的實時監(jiān)測方法如下激光束通過導(dǎo)光鏡后經(jīng)過激光聚焦鏡聚焦作用在工件上，加工過 程中產(chǎn)生的熔池輻射和等離子體輻射光通過激光聚焦鏡到導(dǎo)光鏡上， 該導(dǎo)光鏡可反射激光作用區(qū)域產(chǎn)生的輻射光，輻射光經(jīng)導(dǎo)光鏡反射到分 光鏡，由于分光鏡只允許紅外波段光通過，這部分由激光作用區(qū)域產(chǎn)生 的紅外波段輻射光通過分光鏡，經(jīng)紅外聚焦鏡聚焦到采集紅外波段輻射 光的光電傳感器中，由分光鏡反射的等離子體輻射光經(jīng)等離子體聚焦 鏡聚焦到采集等離子體輻射光的光電傳感器中，兩個光電傳感器產(chǎn)生的 信號分別通過調(diào)理電路放大并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計算機進行處理。這種同軸監(jiān)測系統(tǒng)可以直接檢測小孔內(nèi)部等離子體光輻射信息。
權(quán)利要求1、一種三維激光焊接和切割過程的實時監(jiān)測裝置，其特征在于導(dǎo)光鏡(1)位于激光與材料相互作用區(qū)域的正上方，用于獲取熔池紅外輻射和等離子體輻射光；分光鏡(2)與導(dǎo)光鏡(1)位于同一光路上，用于接受從導(dǎo)光鏡(1)反射過來的光，其中紅外輻射光透過分光鏡(2)照射至紅外聚焦鏡(18)，紅外光電傳感器(19)位于紅外聚焦鏡(18)的焦點處，用于接收紅外輻射光信號，并轉(zhuǎn)化為電信號；等離子體光信號被分光鏡(2)反射，照射至等離子體聚焦鏡(25)，等離子體光電傳感器(26)位于等離子體聚焦鏡(25)的焦點處，用于接收等離子體輻射光信號，并轉(zhuǎn)化為電信號；調(diào)理電路(10)分別與等離子體光電傳感器(26)和紅外波段輻射光電傳感器(19)相連，計算機(11)與調(diào)理電路(10)接連，調(diào)理電路(10)接收等離子體光電傳感器(26)和紅外波段輻射光電傳感器(19)傳送來的光電信號，進行放大和濾波后傳送給計算機(11)進行處理分析，得到激光加工過程的質(zhì)量信息。
2、根^權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于 導(dǎo)光鏡(l)由第一鏡片壓環(huán)(12)固定于第一鏡片支座(13)上， 第一鏡片支座(13)固定于主箱體(8)中；分光鏡(2)用第二鏡片壓環(huán)(14)固定于第二鏡片支座(15)上，第 二鏡片支座(15)固緊于側(cè)箱體(4)中，側(cè)箱體(4)通過連接板(3)與 主箱體(8)連接；等離子體聚焦鏡(25)裝置于光電傳感器主筒(23)中，用于將分光 鏡(2)反射過來的等離子體光信號聚焦到等離子體光電傳感器(26) 的光敏面上；等離子體光電傳感器(26)接收的等離子體輻射光波段 為300nm 700nm;紅外聚焦鏡(18)裝置于紅外光電傳感器主筒(16)中；紅外光電傳 感器(19)裝置于紅外傳感器滑筒(20)中。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，第二鏡片支座(15)為三角結(jié)構(gòu)，斜面中部放置分光鏡(2)，垂 直面中部有一相應(yīng)大小的園孔，水平面兩側(cè)各有一對稱凸臺，與側(cè)箱 體(4)上方兩側(cè)凹槽擬合；側(cè)箱體(4)與連接板(3)通過螺栓連接， 而連接板(3)通過螺栓與主箱體(8)連接；分光鏡(2)由第二鏡片壓環(huán)(14)固定于第二鏡片支座(15)上， 第二鏡片壓環(huán)(14)有螺紋螺旋面，與第二鏡片支座(15)擬合；紅外聚焦鏡(18)由紅外聚焦鏡壓蓋(17)固定在紅外光電傳感 器主筒(16)中，紅外光電傳感器(19)固定在紅外傳感器滑筒(20) 中，紅外傳感器滑筒(20)在紅外光電傳感器主筒(16)中可做沿軸 線50mm的移動；第一主筒上夾盤(21)和第一主筒下夾盤(22)和紅 外光電傳感器主筒(16)三者通過螺栓連接，組成的紅外光電傳感器 裝夾筒(5)通過螺栓固定在側(cè)箱體(4)的右側(cè)；等離子體聚焦鏡(25)由聚焦鏡壓蓋(24)固定在光電傳感器主 筒(23)中，等離子體光電傳感器(26)固定在光電傳感器滑筒(27) 中，光電傳感器滑筒(27)在光電傳感器主筒(23)中可做沿軸線50mm 的移動；第二主筒上夾盤(28)、第二主筒下夾盤(29)和光電傳感 器主筒(23)三者通過螺栓連接，組成的等離子體光電傳感器裝夾筒 (6)通過蠊栓固定在側(cè)箱體(4)的下方。
專利摘要一種對三維激光焊接和切割加工過程和質(zhì)量進行實時監(jiān)測的裝置。針對現(xiàn)有技術(shù)監(jiān)測裝置，只同軸采集分析一種輻射光，而不能同時同軸采集分析熔池或等離子體輻射光，對準確判斷焊接和切割加工過程及質(zhì)量造成困難的缺點，本實用新型提出了一種三維激光加工過程同軸采集紅外波段和等離子體輻射光信號的實時質(zhì)量監(jiān)測的裝置。本實用新型的檢測裝置，可實現(xiàn)實時質(zhì)量監(jiān)測而且為三維激光加工過程中閉環(huán)控制提供更精確的信息。
文檔編號B23K26/00GK201052570SQ20072008563
公開日2008年4月30日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者劉建華, 斌 李, 王春明, 胡倫驥, 胡席遠 申請人:華中科技大學(xué)