三维激光焊接和切割过程的实时监测装置制造方法及图纸

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。针对现有技术监测装置，只同轴采集分析一种辐射光，而不能同时同轴采集分析熔池或等离子体辐射光，对准确判断焊接和切割加工过程及质量造成困难的缺点，本实用新型专利技术提出了一种三维激光加工过程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的装置。本实用新型专利技术的检测装置，可实现实时质量监测而且为三维激光加工过程中闭环控制提供更精确的信息。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

Real time monitoring device for three-dimensional laser welding and cutting process

A device for real-time monitoring and controlling the process and quality of three-dimensional laser welding and cutting. According to the monitoring of the prior device, only a coaxial collection and analysis of radiation, but not at the same time acquisition and analysis of weld pool or coaxial plasma radiation, to accurately determine the welding and machining process and cutting quality caused by difficulty, the utility model provides a device for real-time monitoring the quality of 3D laser processing for coaxial infrared and plasma collection the radiation of light signals. The detecting device of the utility model can realize the real-time quality monitoring, and provides more accurate information for the closed loop control in the three-dimensional laser processing.

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。本技术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。
技术实现思路
本技术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。利用本技术的同轴检测装置，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。本技术其主要优越性有(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l:三维激光焊接和切割过程同轴监测装置示意图。 图2:主箱体装配示意图。 图3:侧箱体装配示意图。 图4:连接板示意图。图5:用于红外波段辐射光采集的红外光电传感器装夹筒示意图。 图6:用于等离子体辐射光采集的光电传感器装夹筒示意图。具体实施方式以下结合附图解释本技术的具体实施方式 图l所示为三维激光焊接和切割过程同轴监测装置示意图，导光镜l 由第一镜片压环12固定于第一镜片支座13上，第一镜片支座13固定于主箱体8中。激光聚焦镜9固定在喷嘴上方的机械装置中。分光镜2由第二 镜片压环14固定于第二镜片支座15上，第二镜片支座15固定于侧箱体4 中。连接板3连接左侧的主箱体8和右侧的侧箱体4。用于采集红外波段 辐射光的红外光电传感器装夹筒5由螺栓固定在侧箱体4右侧的凸板上， 用于采集等离子体辐射光的光电传感器装夹筒6由螺栓固定在侧箱体4 下方的凸板上。红外光电传感器19和等离子体光电传感器26产生的信号 由光缆传输到调理电路IO，辅助声传感器7与调理电路10相连，提取的 信息可进一步增加系统监测的可靠性。信号经调理电路10放大后再输入 计算机ll进行处理分析，得到激光加工过程的质量信息。图2进一步描述主箱体8装配结构，导光镜1由第一镜片压环12固定于 第一镜片支座13上，第一镜片压环12有螺纹螺旋面，与第一镜片支座13 拟合；第一镜片支座13为三角结构，斜面中部放置导光镜l，垂直面中 部有一相应大小的园孔，水平面两侧各有一对称凸台，与主箱体8下方 两侧凹槽拟合。图3表示側箱体4装配结构，分光镜2用第二镜片压环14固定于第二镜 片支座15上，第二镜片压环14有螺纹螺旋面，与第二镜片支座15拟合； 第二镜片支座15为三角结构，斜面中部放置分光镜2，垂直面中部有一 相应大小的小孔，水平面两侧各有一对称凸台，与侧箱体4上方两侧凹 槽拟合。侧箱体4右侧和下方各有一凸板，凸板上有凹槽，红外光电传 感器装夹筒5及等离子体光电传感器装夹筒6通过螺栓分别装置在凹槽 中，并可沿轴线做20mm的水平移动。图4表示连接板3结构，右图为连接板侧视图，下方螺纹孔通过螺钉 与侧箱体4连接，垂直面螺纹孔通过螺钉与主箱体8连接。图5表示用于红外波段辐射光采集的红外光电传感器装夹筒5结构， 红外聚焦镜18由红外聚焦镜压盖17固定在红外光电传感器主筒16中，红 在红外传感器滑筒20中，红外传感器滑筒20在红外 光电传感器主筒16中可做沿轴线50mra的水平移动。第一主筒上夹盘21、 第一主筒下夹盘22和红外光电传感器主筒16三者通过螺栓连接，组成的 红外光电传感器装夹筒5通过螺栓固定在侧箱体4的右侧。图6表示用于等离子体辐射光采集的光电传感器装夹筒6结构，等离 子体聚焦镜25由聚焦镜压盖24固定在光电传感器主筒23中，用于将分光 镜2反射过来的等离本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（１）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（２）与导光镜（１）位于同一光路上，用于接受从导光镜（１）反射过来的光，其中红 外辐射光透过分光镜（２）照射至红外聚焦镜（１８），红外光电传感器（１９）位于红外聚焦镜（１８）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（２）反射，照射至等离子体聚焦镜（２５），等离子体光电传感器（２６ ）位于等离子体聚焦镜（２５）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（１０）分别与等离子体光电传感器（２６）和红外波段辐射光电传感器（１９）相连，计算机（１１）与调理电路（１０）接连，调理电路（１０）接收等离子 体光电传感器（２６）和红外波段辐射光电传感器（１９）传送来的光电信号，进行放大和滤波后传送给计算机（１１）进行处理分析，得到激光加工过程的质量信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王春明，李斌，胡伦骥，胡席远，刘建华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]