專利名稱：部件的激光光束焊接、表面硬化或機(jī)械加工操作的控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接、表面硬化或機(jī)械加工的質(zhì)量控制。
背景技術(shù)：
過(guò)去二十年來(lái)高能密度的射束由于以下有利特性特別在用于汽車的無(wú)涂(鍍)層薄板或有涂層薄板的焊接領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用-涂層蒸發(fā)少，從而提供更好的鍍鋅耐腐蝕性；-部件的變形很?。?精度高，焊接速度高；-焊珠外表無(wú)需精加工；以及-接縫的抗拉和抗疲勞性好。
但是，由于制備條件不合適(例如擠壓不完美)、焊接熔池不穩(wěn)定和飛濺過(guò)量常會(huì)發(fā)生各種缺陷，特別是氣孔和對(duì)準(zhǔn)缺陷。在這方面，焊接具有鋅基涂層的薄鋼板特別難。因此必須有精細(xì)的過(guò)程控制系統(tǒng)，因?yàn)楹附尤鄢氐牟环€(wěn)定會(huì)造成這些可能缺陷的形成。
可用各種物理變量實(shí)現(xiàn)這種在線控制。使用激光光束時(shí)，激光光束與保護(hù)氣體和金屬蒸汽相互作用會(huì)生成等離子體。為使得導(dǎo)致焊透率降低的等離子體生成得盡可能少，使用一由與焊頭的后面縱向偏置的小直徑噴嘴構(gòu)成的噴氣系統(tǒng)在該部件表面上方幾毫米處噴出惰性氣體。
可有利地使用各種光傳感器如在紫外線和可見(jiàn)光范圍內(nèi)敏感的光電二極管來(lái)分析反映焊接操作穩(wěn)定性的等離子體的穩(wěn)定性。
同樣，也可使用在位移方向上處于光束后方的紅外光檢測(cè)器來(lái)測(cè)量熔融金屬發(fā)出的光強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，紅外光光強(qiáng)與傳給該部件的熱量相對(duì)應(yīng)。因此，焊透性提高造成紅外線發(fā)射的提高。
但是，這些各種傳感器很難實(shí)際應(yīng)用。這是因?yàn)榻邮盏哪芰可?，因?yàn)樾盘?hào)與從光源到傳感器的距離的平方成反比地衰減。因此可有兩種措施-或是使用大直徑光傳感器，但是這一措施的缺點(diǎn)是信噪比低。這是因?yàn)橛擅?xì)管發(fā)出的光能來(lái)自于一小立體角，從而該光學(xué)部件拾取其他不想要的光信號(hào)。實(shí)際中，很難在很雜的信號(hào)中檢測(cè)出缺陷的發(fā)生；-或是使傳感器靠近焊接區(qū)，此時(shí)，周期性排出和稠密的金屬蒸汽會(huì)使得傳感器光學(xué)部件的性能迅速下降。溫度的局部升高使得傳感器無(wú)法很靠近熔融金屬。人們因此想出權(quán)宜之策，它依賴于在傳感器前方噴射橫向氣流，以利用一需要定期更換的消耗性透明板保護(hù)傳感器或光學(xué)部件。但是，這些措施從經(jīng)濟(jì)或從信號(hào)可靠性觀點(diǎn)看是不令人滿意的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題。本發(fā)明的目的特別是提供一種接收由激光/材料相互作用發(fā)出的反映焊接、表面加工或機(jī)械加工的質(zhì)量的光信號(hào)的控制裝置，其信噪比高，相對(duì)激光光束的定位精確，所述裝置必須對(duì)焊接、表面加工或機(jī)械加工過(guò)程中任何工業(yè)環(huán)境所固有的各種污染都較不敏感。
針對(duì)這些目的，本發(fā)明的第一主題是一種用于對(duì)使用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的質(zhì)量進(jìn)行控制的裝置，包括至少一個(gè)用于噴射氣體的噴嘴，該噴嘴具有一用于噴出所述氣體的氣流的噴氣通道和至少一個(gè)設(shè)在所述噴氣通道的后面的光敏傳感器，該光敏傳感器用以接收至少一個(gè)穿過(guò)所述噴氣通道并在所述焊接、表面加工或機(jī)械加工操作過(guò)程中發(fā)出的光信號(hào)。
按照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，用于噴射氣體的該噴嘴包括一位于該噴氣通道的延長(zhǎng)線上的通道，該光敏傳感器設(shè)在所述通道中。
按照另一優(yōu)選實(shí)施例，用于噴射氣體的該噴嘴包括一位于該噴氣通道的延長(zhǎng)線上的通道和一與所述通道連通的橫向通道，該光敏傳感器設(shè)在該橫向通道中，在該通道與該橫向通道的接合處設(shè)有一反射板(反光板)，以把光信號(hào)偏轉(zhuǎn)到該光敏傳感器上。
該反射板最好是半透明的。
本發(fā)明裝置可有利地具有如下一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立或組合的特征-至少一個(gè)光敏傳感器對(duì)紅外線敏感；-至少一個(gè)光敏傳感器對(duì)紫外線敏感；-至少一個(gè)光敏傳感器用至少在該傳感器的敏感范圍內(nèi)光學(xué)透明的不透氣隔離器與氣流隔開(kāi)；-該裝置包括用于對(duì)該光敏傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾和放大的裝置；以及-該裝置包括用于記錄該光敏傳感器的輸出信號(hào)的裝置。
本發(fā)明的第二主題是一種對(duì)使用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作進(jìn)行控制的方法，在該方法中，用本發(fā)明裝置接收至少一個(gè)來(lái)自于該焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的光信號(hào)，把該光信號(hào)隨時(shí)間的變化與在該部件上不存在無(wú)法接受的體積或表面缺陷的條件下獲得的至少一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)作比較，然后通過(guò)比較這兩個(gè)信號(hào)來(lái)決定經(jīng)焊接、表面加工或機(jī)械加工的該部件是否合格。
最后，本發(fā)明的第三主題是一種對(duì)使用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作進(jìn)行控制的方法，在該方法中，用本發(fā)明裝置接收至少一個(gè)來(lái)自于該焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的光信號(hào)，把該光信號(hào)隨時(shí)間的變化與在該部件上不存在無(wú)法接受的體積或表面缺陷的條件下獲得的至少一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)作比較，然后根據(jù)所述至少兩個(gè)信號(hào)的比較結(jié)果來(lái)控制焊接、表面加工或機(jī)械加工參數(shù)。
本發(fā)明的焊接、表面加工或機(jī)械加工操作質(zhì)量控制裝置有若干優(yōu)點(diǎn)。由于把傳感器結(jié)合在本身位于光束/材料相互作用區(qū)緊旁邊的氣體噴射裝置內(nèi)，因此信噪比高。因此很容易觀察到焊接、表面加工或機(jī)械加工中發(fā)生的任何擾動(dòng)。此外，由于把傳感器設(shè)置在供應(yīng)氣體(例如惰性氣體)的實(shí)際裝置中，因此可防止傳感器性能下降。


下面結(jié)合附圖詳細(xì)、但不受任何限制地說(shuō)明本發(fā)明，附圖中圖1為本發(fā)明裝置第一實(shí)施例的示意剖面圖；圖2為本發(fā)明裝置第二實(shí)施例的示意剖面圖；以及圖3-5例示出用本發(fā)明裝置在激光焊接過(guò)程中記錄的信號(hào)，這些圖分別對(duì)應(yīng)于無(wú)缺陷焊縫、發(fā)生孤立的缺陷的焊縫和具有許多不穩(wěn)定因素的焊縫。
具體實(shí)施例方式
在圖1所示的第一實(shí)施例中，對(duì)用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的質(zhì)量進(jìn)行控制的裝置由一噴射氣體的噴嘴1構(gòu)成，噴嘴1的后面(后端面)12上有一測(cè)量頭2。
噴嘴1有一噴氣通道5和一與通道5連通的供氣通道4。位于噴嘴1軸線上的通道5的一邊在噴嘴1的前端13開(kāi)口供氣流從噴嘴1噴出，其另一邊在噴嘴1的后面12上開(kāi)口。
測(cè)量頭2具有一在測(cè)量頭2的前面(前端面)上開(kāi)口的通道11，該測(cè)量頭設(shè)計(jì)成可固定在噴嘴1的后面12上；測(cè)量頭2還具有一位于通道11的軸線上的光敏傳感器3，該光敏傳感器的方向布置成能接收經(jīng)通道5射入的光。由于傳感器的方向與氣流方向同軸，因此確保傳感器的觀察區(qū)就是氣體作用區(qū)。
光敏傳感器3最好為一特別記錄從熔融區(qū)發(fā)出的輻射線的紅外線檢測(cè)器(例如Ge光電二極管+Si濾波器或InGaAs光電二極管)或一紫外線檢測(cè)器(例如GaP光電二極管或硅光電二極管)。該光敏傳感器的輸出信號(hào)最好經(jīng)濾波和放大。
測(cè)量頭2的前面抵靠在噴嘴1的后面12上，并用對(duì)中裝置如對(duì)中銷6和7定位，使得通道11與噴氣通道5同軸。
在測(cè)量頭2的前面與噴嘴1的后面12的接合處，用一至少在傳感器3的敏感范圍內(nèi)對(duì)光透明的、與所要測(cè)量的物理現(xiàn)象有關(guān)的隔離器8把通道5與通道11隔開(kāi)。例如，如要記錄激光焊接過(guò)程中從等離子體發(fā)出的信號(hào)，最好使用至少對(duì)紫外線輻射透明的隔離器。該隔離器8設(shè)置在一機(jī)加工在噴嘴1或測(cè)量頭2中的凹座內(nèi)。隔離器8最好輔之以一O形密封圈9，以便在噴嘴1與測(cè)量頭2之間形成密封。
按照?qǐng)D2所示的第二實(shí)施例，本發(fā)明控制裝置包括一設(shè)置在一與通道11連通的橫向(側(cè)向)通道11’中的傳感器3’。一可為半透明的反射板10位于通道11與橫向通道11’之間的接合處，以偏轉(zhuǎn)來(lái)自噴氣通道5穿過(guò)通道11的輻射線，以使輻射線能穿過(guò)通道11’到達(dá)傳感器3’。
在要使用本發(fā)明裝置控制焊接、表面加工或機(jī)械加工操作時(shí)，把該裝置布置成使得噴嘴1的前面13例如向著等離子體或熔融金屬的形成區(qū)，并噴射氣體。
在激光焊接時(shí)，可使用噴嘴噴射氣體來(lái)減少等離子體的形成。在焊接、表面加工或機(jī)械加工操作中發(fā)出的光沿軸向穿過(guò)噴氣通道5、隔離器8后繼續(xù)沿通道11前進(jìn)。然后光敏傳感器3或3’接收光，發(fā)出用來(lái)測(cè)量該光強(qiáng)度的信號(hào)。
借助于一個(gè)或多個(gè)傳感器，可一直記錄從焊接、表面加工或機(jī)械加工操作發(fā)出的一個(gè)或多個(gè)光信號(hào)。最好是，這些傳感器設(shè)置成離光源(等離子體或熔融金屬)的距離很短，由于有傳感器會(huì)被熱損害的危險(xiǎn)，因此飛濺或金屬蒸氣由于把傳感器設(shè)置在噴氣噴嘴中可得以減小。這樣，所接受的光信號(hào)的強(qiáng)度高。然后可用這些光信號(hào)的變化(變動(dòng))與在部件上不出現(xiàn)無(wú)法接受的體積或表面缺陷的條件下獲得的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較。通過(guò)這一比較可決定經(jīng)焊接、表面加工或機(jī)械加工的部件是否合格，或者通過(guò)控制各種焊接參數(shù)來(lái)防止缺陷的形成。
圖3-5例示出在激光焊接操作中用本發(fā)明裝置記錄的信號(hào)。用6kW二氧化碳激光以1.5m/min速度焊接厚為1.2mm的電鍍鋅薄鋼板。傳感器為在450-1100nm輻射范圍中敏感的、裝在一沿焊接方向設(shè)置在激光光束的后面的噴射氬氣的噴嘴中的硅光電二極管。噴嘴指向由激光光束熔化的金屬。光束在鋼板上的作用點(diǎn)與噴嘴端部之間的距離為40mm。
圖3示出在滿意條件下生成的焊縫。從焊接操作開(kāi)始(該曲線圖左部)，傳感器記錄的與由熔融金屬送回的光能對(duì)應(yīng)的信號(hào)表明變動(dòng)不大。事實(shí)上，對(duì)焊縫的檢察表明不存在任何缺陷。
圖4示出該信號(hào)的特征性變動(dòng)。這一不穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)于零星出現(xiàn)的缺陷。
圖5對(duì)應(yīng)于對(duì)一鍍鋅板進(jìn)行的焊接操作。本發(fā)明傳感器記錄的信號(hào)中的許多擾動(dòng)對(duì)應(yīng)于等離子體和液態(tài)金屬飛濺的不穩(wěn)定性，焊縫有許多缺陷。
因此，可設(shè)置成離焊接、表面加工或機(jī)械加工中加工區(qū)距離短的本發(fā)明裝置用來(lái)記錄代表該焊接件質(zhì)量的強(qiáng)烈信號(hào)。非常緊湊和便攜的該裝置便于插入由一個(gè)或多個(gè)焊接或機(jī)加工頭或若干氣體噴嘴占據(jù)的有限空間中，而不影響激光裝置的現(xiàn)有部件的正確操作。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)使用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的質(zhì)量進(jìn)行控制的裝置，包括至少一個(gè)用于噴射氣體的噴嘴(1)，該噴嘴具有一用于噴出所述氣體的氣流的噴氣通道(5)和至少一個(gè)設(shè)在所述噴氣通道(5)的后面光敏傳感器(3，3’)，該光敏傳感器(3，3’)用以接收至少一個(gè)穿過(guò)所述噴氣通道(5)并在所述焊接、表面加工或機(jī)械加工操作過(guò)程中發(fā)出的光信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，用于噴射氣體的所述噴嘴(1)包括一位于所述噴氣通道(5)的延長(zhǎng)線上的通道(11)，所述光敏傳感器(3)設(shè)在所述通道(11)中。
3.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，用于噴射氣體的所述噴嘴(1)包括一位于所述噴氣通道(5)的延長(zhǎng)線上的通道(11)和一與所述通道(11)連通的橫向通道(11’)，所述光敏傳感器(3’)設(shè)在所述橫向通道(11’)中，在該通道(11)與該橫向通道(11’)的接合處設(shè)有一反射板(10)，以把所述光信號(hào)偏轉(zhuǎn)到該光敏傳感器(3’)上。
4.按照權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述反射板(10)是半透明的。
5.按照權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述光敏傳感器(3，3’)對(duì)紅外線敏感。
6.按照權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述光敏傳感器(3，3’)對(duì)紫外線敏感。
7.按照權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述光敏傳感器(3，3’)由一至少在所述光敏傳感器(3，3’)的敏感范圍內(nèi)光學(xué)透明的不透氣隔離器(8)與所述氣流隔開(kāi)。
8.按照權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，該裝置包括用于對(duì)所述光敏傳感器(3，3’)的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和記錄的裝置。
9.一種對(duì)使用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作進(jìn)行控制的方法，其特征在于，利用按照權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的裝置接收至少一個(gè)來(lái)自于所述焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的光信號(hào)，把所述一個(gè)光信號(hào)隨時(shí)間的變化與在所述部件上不存在無(wú)法接受的體積或表面缺陷的條件下獲得的至少一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)作比較，通過(guò)把在所述焊接、表面加工或機(jī)械加工操作中測(cè)量的所述光信號(hào)與所述基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)決定經(jīng)焊接或機(jī)械加工的該部件是否合格。
10.一種對(duì)使用激光光束對(duì)一部件進(jìn)行焊接、表面加工或機(jī)械加工操作進(jìn)行控制的方法，其特征在于，利用按權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的裝置接收至少一個(gè)來(lái)自于所述焊接、表面加工或機(jī)械加工操作的光信號(hào)，把所述光信號(hào)隨時(shí)間的變化與在所述部件上不存在無(wú)法接受的體積或表面缺陷的條件下獲得的至少一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)作比較，以及按照所述至少兩個(gè)信號(hào)的比較結(jié)果控制焊接、表面加工或機(jī)械加工參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制一部件的激光焊接、表面硬化或機(jī)械加工操作質(zhì)量的裝置。本發(fā)明裝置由至少一個(gè)噴氣噴嘴(1)構(gòu)成，該噴嘴包括一噴出氣流的噴氣通道(5)；以及至少一個(gè)設(shè)置在上述噴氣通道(5)的后面的光敏傳感器(3)，該光敏傳感器用以收集在該焊接、表面硬化或機(jī)械加工操作中發(fā)射并穿過(guò)所述噴氣通道(5)的至少一個(gè)光信號(hào)。本發(fā)明還涉及一種控制一部件的激光焊接、表面硬化或機(jī)械加工操作的方法。
文檔編號(hào)B23K31/00GK1678427SQ03820573
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者P·阿利普斯, F·迪布呂勒, G·韋尼埃 申請(qǐng)人:于西納公司