基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置，包括激光加工头、飞溅物挡板和多个热像仪；激光加工头呈圆筒状，底部末端设置有锥形加工嘴，内部的空腔内设置有聚焦镜和保护镜片，外侧壁上设置有保护气帘；飞溅物挡板环绕在激光加工头外围，呈伞状，内部带有循环水冷通道，飞溅物挡板的上表面设置有进水口和出水口；飞溅物挡板通过可拆卸结构与激光加工头连接；多个热像仪均匀设置在激光加工头的外壁上，并位于飞溅物挡板之下。本发明专利技术使得在激光加工过程中实时分析激光加工工艺质量成为可行，结合在线实时调节激光加工工艺参数，实现了完整的加工质量闭环控制。本发明专利技术还提供了一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制方法。

Closed loop laser processing quality control device and method based on splash detection of molten pool

The invention provides a closed-loop laser processing quality of molten pool splash detection device based on laser processing, including head, splash baffle plate and a plurality of thermal imager; laser processing head is cylindrical, bottom end is provided with a conical nozzle processing, the internal cavity is arranged in the focusing mirror and lens protection, lateral wall equipped with protective gas curtain; splash baffle around the umbrella shaped in the periphery, the laser processing head, with internal cooling water circulation channel, splash baffles are arranged on the upper surface of the water inlet and the water outlet; splash baffle through a detachable structure and laser head connection; a plurality of outer wall thermal imager are uniformly arranged in the laser processing head. And below the splash baffle. The invention makes it possible to analyze the process quality of laser processing in the laser processing process in real time, and realizes the complete closed-loop control of the processing quality by combining the on-line and real-time regulation of the laser processing parameters. The invention also provides a closed loop laser processing quality control method based on the splash detection of the molten pool.

【技术实现步骤摘要】
基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置及方法
本专利技术属于激光加工领域，具体涉及一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置及方法。
技术介绍
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、熔覆、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。随着激光加工技术的发展，激光焊接技术日益显现出其卓越的应用前景，其已在船舶汽车工业、航空航天制造、医疗卫生等领域发挥了巨大的作用。按照激光焊接焊缝的形成特点，可以将激光焊接分为热传导焊接和深熔焊接。随着激光功率密度的不断增大，焊接会从热传导焊向深熔焊演变。当焊接使用的激光功率密度较低，此时的焊接形式为热传导焊，熔池形成所需时间较长，熔深较浅；当焊接时使用的激光功率密度较高，当激光开始辐射到工件表面上时，由于激光能量密度高，且工件生成的熔体少，在金属蒸气反冲力的作用下熔体被排出熔池形成熔体飞溅，随着辐照时间的增加，一个小的熔池开始生成且尺寸不断增大，在金属熔化的同时伴随着强烈的气化作用，此时的焊接形式为深熔焊，熔池熔深较大，所得到的焊缝深宽比大，容易得到较理想的焊接效果。激光熔覆技术是发展较为活跃的激光加工技术之一，其原理是利用铺粉或送粉的方法在基材表面预置金属粉末，并使高能激光束聚焦在基材表面，聚焦激光束辐照基材表面的金属粉末，焦点位置的金属粉末和基材表面薄层发生熔化，形成一定形状和大小的熔池，同时待熔覆粉末受热急剧膨胀会造成熔池飞溅；当激光束焦点以一定速度按预定轨迹运动，激光束移开后的熔池迅速凝固，从而在基材表面激光束扫过的区域熔覆上一层具有特殊物理、化学或力学性能的金属涂层。在金属材料的激光焊接、熔覆、表面处理等工艺过程中，高温熔池产生一定的飞溅物是不可避免的，现有激光加工技术的工程应用过程中，工艺人员对于熔池飞溅一般都是认为有害的，可能发生的最主要危害是其对激光加工头的损害，如激光加工头底部距工件最近的光学镜片经常会由于飞溅物使得镀膜被烧蚀甚至由于附着飞溅物对激光的吸收而导致镜片炸裂，激光加工头侧边的元件(如光纤、水管、气管等)经常会因飞溅物附着而被烧蚀破坏或因高温熔池的热辐射而升温变形。因此，处理方式一般是减少飞溅并防止飞溅物损伤激光加工头，比如在光学镜片下方加横向保护气帘，或者直接在激光加工头喷嘴上方加一个保护铁环以阻挡飞溅物影响激光加工头侧边的元件。目前的激光加工质量控制一般是开环的，即加工完成后再通过金相分析、机械力学性能测试等方法进行检测和评估。而闭环激光加工质量的在线检测方法，一般有等离子体光谱诊断和熔池温度场监测等。等离子体光谱诊断作为获取等离子电子温度、密度的一种简单而常见的方法，已被国内外学者应用到激光焊接等离子体研究的领域中。由于激光等离子体电子温度、密度在空间上存在的梯度变化和时间上的不稳定性，给测量带来了一定的困难。当前激光焊接等离子体光谱诊断工作大多只获得电子的平均温度、密度，即只对等离子体进行了单点测量，未考虑到电子温度、密度随时空的变化，致使测量的结果也存在一定的差异。熔池温度场监测对于控制激光熔池形貌，改进工艺设计，提高激光加工精度和质量，具有重要意义。由于激光能量密度高，熔池尺寸小，热过程复杂，从而为熔池的温度场检测带来了很大困难，大多数研究一般只能够给出激光熔池或者激光熔池附近的点的温度，然后采用数学分析方法推导得到温度场分布。随着高温检测技术及电荷耦合器件(CCD)技术的发展，采用CCD进行温度场和动态过程检测已经得到了很快的发展，CCD需与图像处理技术相结合，通过平滑处理、阈值分割、伪彩色等图像处理技术处理，根据采集得到的熔池图像特点，原理上使得通过图像处理获得激光熔池温度场的分布情况成为可能，但目前还没有基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置及方法。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制方法，本专利技术还同时提供了一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置，包括激光加工头、飞溅物挡板和多个热像仪；所述激光加工头呈圆筒状，底部末端设置有锥形加工嘴，内部的空腔内设置有聚焦镜和保护镜片，外侧壁上设置有保护气帘；所述锥形加工嘴通过喷嘴保持部安装在激光加工头的底部，所述锥形加工嘴的侧壁内设置有循环水冷机构；所述聚焦镜通过聚焦镜保持架和环状突出结构装夹在激光加工头的内壁上，保护镜片通过保护镜片调整架安装在聚焦镜的下方，并与聚焦镜同轴安装；保护气帘安装在激光加工头的外侧壁上，并位于保护镜片之下，锥形加工嘴之上；保护气帘的气体流向与聚焦镜的镜片平行；加工激光束从激光加工头的顶部或者侧面孔入射，经过聚焦镜的聚焦后，通过锥形加工嘴输出至工件的表面；所述飞溅物挡板环绕在激光加工头外围，呈伞状，内部带有循环水冷通道，飞溅物挡板的下表面面对工件，其上表面设置有进水口和出水口；飞溅物挡板通过一可拆卸结构与激光加工头连接；多个热像仪均匀设置在激光加工头的外壁上，并位于飞溅物挡板之下。本专利技术还提供了一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制方法，包括如下步骤：(1)装夹待加工金属工件，并设定预编程的激光加工路径和激光加工的初始工艺参数，所述初始工艺参数包括激光功率、光束行进速度、离焦量、送粉/丝速率和保护气流量；(2)启动环绕设置在激光加工头上的飞溅物挡板的内部水冷系统、激光加工头自身的循环水冷系统；启动均匀设置在激光加工头圆周方向上的N个热像仪，所述N个热像仪用于实现对飞溅物挡板的360度检测；N个热像仪以Ts为采样周期循环采集飞溅物挡板表面及其附近空间的红外温度场图像，每次循环将获得N幅红外温度场图像，将每次循环获得的N幅红外温度场图像进行拼接和滤波处理得到全景红外温度场图像，待全景红外温度场图像稳定后，停止循环；将全景红外温度场图像作为初始红外温度场全景图像；其中N为大于等于1的正整数；(3)输出激光束，输出同步送粉/丝和送气，以及启动激光加工头与工件的预编程相对运动，按照步骤(1)中的初始工艺参数以及预编程激光加工路径开始进行激光加工；取预编程激光加工路径上的任意K个位置作为监测点，K为大于等于1的正整数；(4)在激光加工过程中，N个热像仪以Ts为采样周期循环采集飞溅物挡板表面及其附近空间的红外温度场图像，并作拼接和滤波处理得到飞溅物挡板的当前全景红外温度场图像，亦即获得当前的飞溅物的特征数据；(5)在每个监测点均通过当前全景红外温度场图像获得当前飞溅物的特征数据；若历史数据库中不存在参考特征数据，则将第一次获得的当前飞溅物的特征数据加入历史数据库，并将其作为参考特征数据；若历史数据库中存在参考特征数据，则将当前飞溅物的特征数据与参考特征数据进行对比；若没有显著变化，则进入步骤(6)；若发生显著变化，即变化率大于x％，则记录该当前飞溅物的特征数据对应的监测点Ki，并将当前飞溅物的特征数据加入到历史数据库中；同时在线调整激光加工的一个或多个工艺参数，调整目标是使得调整后获取的当前飞溅物的特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置，其特征在于，包括激光加工头(1)、飞溅物挡板(2)和多个热像仪(4)；所述激光加工头(1)呈圆筒状，底部末端设置有锥形加工嘴(15)，内部的空腔(6)内设置有聚焦镜(13)和保护镜片(9)，外侧壁上设置有保护气帘(10)；所述锥形加工嘴(15)通过喷嘴保持部(5)安装在激光加工头(1)的底部，所述锥形加工嘴(15)的侧壁内设置有循环水冷机构；所述聚焦镜(13)通过聚焦镜保持架(14)和环状突出结构(16)装夹在激光加工头(1)的内壁上，保护镜片(9)通过保护镜片调整架(19)安装在聚焦镜(13)的下方，并与聚焦镜(13)同轴安装；保护气帘(10)安装在激光加工头(1)的外侧壁上，并位于保护镜片(9)之下，锥形加工嘴(15)之上；保护气帘(10)的气体流向与聚焦镜(13)的镜片平行；加工激光束(12)从激光加工头(1)的顶部或者侧面孔入射，经过聚焦镜(13)的聚焦后，通过锥形加工嘴(15)输出至工件(3)的表面；所述飞溅物挡板(2)环绕在激光加工头(1)外围，呈伞状，内部带有循环水冷通道(11)，飞溅物挡板(2)的下表面面对工件，其上表面设置有进水口(21)和出水口(22)；飞溅物挡板(2)通过一可拆卸结构(20)与激光加工头(1)连接；多个热像仪(4)均匀设置在激光加工头(1)的外壁上，并位于飞溅物挡板(2)之下。...

【技术特征摘要】
1.一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置，其特征在于，包括激光加工头(1)、飞溅物挡板(2)和多个热像仪(4)；所述激光加工头(1)呈圆筒状，底部末端设置有锥形加工嘴(15)，内部的空腔(6)内设置有聚焦镜(13)和保护镜片(9)，外侧壁上设置有保护气帘(10)；所述锥形加工嘴(15)通过喷嘴保持部(5)安装在激光加工头(1)的底部，所述锥形加工嘴(15)的侧壁内设置有循环水冷机构；所述聚焦镜(13)通过聚焦镜保持架(14)和环状突出结构(16)装夹在激光加工头(1)的内壁上，保护镜片(9)通过保护镜片调整架(19)安装在聚焦镜(13)的下方，并与聚焦镜(13)同轴安装；保护气帘(10)安装在激光加工头(1)的外侧壁上，并位于保护镜片(9)之下，锥形加工嘴(15)之上；保护气帘(10)的气体流向与聚焦镜(13)的镜片平行；加工激光束(12)从激光加工头(1)的顶部或者侧面孔入射，经过聚焦镜(13)的聚焦后，通过锥形加工嘴(15)输出至工件(3)的表面；所述飞溅物挡板(2)环绕在激光加工头(1)外围，呈伞状，内部带有循环水冷通道(11)，飞溅物挡板(2)的下表面面对工件，其上表面设置有进水口(21)和出水口(22)；飞溅物挡板(2)通过一可拆卸结构(20)与激光加工头(1)连接；多个热像仪(4)均匀设置在激光加工头(1)的外壁上，并位于飞溅物挡板(2)之下。2.一种基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)装夹待加工金属工件，并设定预编程的激光加工路径和激光加工的初始工艺参数，所述初始工艺参数包括激光功率、光束行进速度、离焦量、送粉/丝速率和保护气流量；(2)启动环绕设置在激光加工头上的飞溅物挡板的内部水冷系统、激光加工头自身的循环水冷系统；启动均匀设置在激光加工头圆周方向上的N个热像仪，所述N个热像仪用于实现对飞溅物挡板的360度检测；N个热像仪以Ts为采...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，徐文俊，杨焕，陈益丰，孙轲，张健，朱德华，刘文文，孙兵涛，
申请(专利权)人：温州大学激光与光电智能制造研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33