基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置及方法與流程

2023-12-09 11:11:11

本發明屬於雷射加工領域，具體涉及一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置及方法。

背景技術：

雷射加工技術是利用雷射束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、熔覆、表面處理、打孔、微加工等的一門技術。雷射加工作為先進位造技術已廣泛應用於汽車、電子、電器、航空、冶金、機械製造等國民經濟重要部門，對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無汙染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。

隨著雷射加工技術的發展，雷射焊接技術日益顯現出其卓越的應用前景，其已在船舶汽車工業、航空航天製造、醫療衛生等領域發揮了巨大的作用。按照雷射焊接焊縫的形成特點，可以將雷射焊接分為熱傳導焊接和深熔焊接。隨著雷射功率密度的不斷增大，焊接會從熱傳導焊向深熔焊演變。當焊接使用的雷射功率密度較低，此時的焊接形式為熱傳導焊，熔池形成所需時間較長，熔深較淺；當焊接時使用的雷射功率密度較高，當雷射開始輻射到工件表面上時，由於雷射能量密度高，且工件生成的熔體少，在金屬蒸氣反衝力的作用下熔體被排出熔池形成熔體飛濺，隨著輻照時間的增加，一個小的熔池開始生成且尺寸不斷增大，在金屬熔化的同時伴隨著強烈的氣化作用，此時的焊接形式為深熔焊，熔池熔深較大，所得到的焊縫深寬比大，容易得到較理想的焊接效果。

雷射熔覆技術是發展較為活躍的雷射加工技術之一，其原理是利用鋪粉或送粉的方法在基材表面預置金屬粉末，並使高能雷射束聚焦在基材表面，聚焦雷射束輻照基材表面的金屬粉末，焦點位置的金屬粉末和基材表面薄層發生熔化，形成一定形狀和大小的熔池，同時待熔覆粉末受熱急劇膨脹會造成熔池飛濺；當雷射束焦點以一定速度按預定軌跡運動，雷射束移開後的熔池迅速凝固，從而在基材表面雷射束掃過的區域熔覆上一層具有特殊物理、化學或力學性能的金屬塗層。

在金屬材料的雷射焊接、熔覆、表面處理等工藝過程中，高溫熔池產生一定的飛濺物是不可避免的，現有雷射加工技術的工程應用過程中，工藝人員對於熔池飛濺一般都是認為有害的，可能發生的最主要危害是其對雷射加工頭的損害，如雷射加工頭底部距工件最近的光學鏡片經常會由於飛濺物使得鍍膜被燒蝕甚至由於附著飛濺物對雷射的吸收而導致鏡片炸裂，雷射加工頭側邊的元件(如光纖、水管、氣管等)經常會因飛濺物附著而被燒蝕破壞或因高溫熔池的熱輻射而升溫變形。因此，處理方式一般是減少飛濺並防止飛濺物損傷雷射加工頭，比如在光學鏡片下方加橫向保護氣簾，或者直接在雷射加工頭噴嘴上方加一個保護鐵環以阻擋飛濺物影響雷射加工頭側邊的元件。

目前的雷射加工質量控制一般是開環的，即加工完成後再通過金相分析、機械力學性能測試等方法進行檢測和評估。而閉環雷射加工質量的在線檢測方法，一般有等離子體光譜診斷和熔池溫度場監測等。等離子體光譜診斷作為獲取等離子電子溫度、密度的一種簡單而常見的方法，已被國內外學者應用到雷射焊接等離子體研究的領域中。由於雷射等離子體電子溫度、密度在空間上存在的梯度變化和時間上的不穩定性，給測量帶來了一定的困難。當前雷射焊接等離子體光譜診斷工作大多只獲得電子的平均溫度、密度，即只對等離子體進行了單點測量，未考慮到電子溫度、密度隨時空的變化，致使測量的結果也存在一定的差異。熔池溫度場監測對於控制雷射熔池形貌，改進工藝設計，提高雷射加工精度和質量，具有重要意義。由於雷射能量密度高，熔池尺寸小，熱過程複雜，從而為熔池的溫度場檢測帶來了很大困難，大多數研究一般只能夠給出雷射熔池或者雷射熔池附近的點的溫度，然後採用數學分析方法推導得到溫度場分布。隨著高溫檢測技術及電荷耦合器件(ccd)技術的發展，採用ccd進行溫度場和動態過程檢測已經得到了很快的發展，ccd需與圖像處理技術相結合，通過平滑處理、閾值分割、偽彩色等圖像處理技術處理，根據採集得到的熔池圖像特點，原理上使得通過圖像處理獲得雷射熔池溫度場的分布情況成為可能，但目前還沒有基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置及方法。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制方法，本發明還同時提供了一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置，包括雷射加工頭、飛濺物擋板和多個熱像儀；

所述雷射加工頭呈圓筒狀，底部末端設置有錐形加工嘴，內部的空腔內設置有聚焦鏡和保護鏡片，外側壁上設置有保護氣簾；

所述錐形加工嘴通過噴嘴保持部安裝在雷射加工頭的底部，所述錐形加工嘴的側壁內設置有循環水冷機構；

所述聚焦鏡通過聚焦鏡保持架和環狀突出結構裝夾在雷射加工頭的內壁上，保護鏡片通過保護鏡片調整架安裝在聚焦鏡的下方，並與聚焦鏡同軸安裝；

保護氣簾安裝在雷射加工頭的外側壁上，並位於保護鏡片之下，錐形加工嘴之上；保護氣簾的氣體流向與聚焦鏡的鏡片平行；

加工雷射束從雷射加工頭的頂部或者側面孔入射，經過聚焦鏡的聚焦後，通過錐形加工嘴輸出至工件的表面；

所述飛濺物擋板環繞在雷射加工頭外圍，呈傘狀，內部帶有循環水冷通道，飛濺物擋板的下表面面對工件，其上表面設置有進水口和出水口；飛濺物擋板通過一可拆卸結構與雷射加工頭連接；

多個熱像儀均勻設置在雷射加工頭的外壁上，並位於飛濺物擋板之下。

本發明還提供了一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制方法，包括如下步驟：

(1)裝夾待加工金屬工件，並設定預編程的雷射加工路徑和雷射加工的初始工藝參數，所述初始工藝參數包括雷射功率、光束行進速度、離焦量、送粉/絲速率和保護氣流量；

(2)啟動環繞設置在雷射加工頭上的飛濺物擋板的內部水冷系統、雷射加工頭自身的循環水冷系統；啟動均勻設置在雷射加工頭圓周方向上的n個熱像儀，所述n個熱像儀用於實現對飛濺物擋板的360度檢測；n個熱像儀以ts為採樣周期循環採集飛濺物擋板表面及其附近空間的紅外溫度場圖像，每次循環將獲得n幅紅外溫度場圖像，將每次循環獲得的n幅紅外溫度場圖像進行拼接和濾波處理得到全景紅外溫度場圖像，待全景紅外溫度場圖像穩定後，停止循環；將全景紅外溫度場圖像作為初始紅外溫度場全景圖像；其中n為大於等於1的正整數；

(3)輸出雷射束，輸出同步送粉/絲和送氣，以及啟動雷射加工頭與工件的預編程相對運動，按照步驟(1)中的初始工藝參數以及預編程雷射加工路徑開始進行雷射加工；取預編程雷射加工路徑上的任意k個位置作為監測點，k為大於等於1的正整數；

(4)在雷射加工過程中，n個熱像儀以ts為採樣周期循環採集飛濺物擋板表面及其附近空間的紅外溫度場圖像，並作拼接和濾波處理得到飛濺物擋板的當前全景紅外溫度場圖像，亦即獲得當前的飛濺物的特徵數據；

(5)在每個監測點均通過當前全景紅外溫度場圖像獲得當前飛濺物的特徵數據；

若歷史資料庫中不存在參考特徵數據，則將第一次獲得的當前飛濺物的特徵數據加入歷史資料庫，並將其作為參考特徵數據；

若歷史資料庫中存在參考特徵數據，則將當前飛濺物的特徵數據與參考特徵數據進行對比；若沒有顯著變化，則進入步驟(6)；若發生顯著變化，即變化率大於x％，則記錄該當前飛濺物的特徵數據對應的監測點ki，並將當前飛濺物的特徵數據加入到歷史資料庫中；同時在線調整雷射加工的一個或多個工藝參數，調整目標是使得調整後獲取的當前飛濺物的特徵數據與參考特徵數據進行對比，差異量趨於減小，直至變化率小於x％；後續雷射加工均採用調整後的工藝參數；

(6)重複執行步驟(5)，直至完成當前加工任務，即預編程的全部雷射加工路徑均加工完畢；

(7)加工結束後，通過金相分析和機械力學性能分析方法分析歷史資料庫中記錄的所有位置的加工質量，將獲得最優加工質量的位置所對應的特徵數據設定為參考特徵數據，其對應的雷射加工工藝參數設定為今後同種或同類加工任務的初始工藝參數，其餘數據刪除。

本發明具有如下有益效果：

1、在金屬材料的雷射焊接、熔覆、表面處理等工藝過程中，高溫熔池產生一定的飛濺是不可避免的，現有技術一般對其進行簡單處理以防止對雷射加工頭產生危害。然而，由於飛濺物來自熔池，其自身攜帶了熔池的狀態信息，如熔池溫度、熔池運動狀態、冶金狀態等。從金屬冶金學的角度看，雷射加工工藝質量控制的本質是通過雷射功率、光束行進速度、離焦量、送粉/絲速率、保護氣流量等工藝參數的調節使得雷射輻照的熔池溫度合理、冶金充分、凝固組織優良。本發明通過獨特的結構設計，有效的在線採集熔池飛濺物的如上信息，使得在雷射加工過程中實時分析雷射加工工藝質量成為可行，結合在線實時調節雷射加工工藝參數，實現了完整的雷射加工工藝質量的閉環控制。

2、現有技術常常採用在雷射加工頭噴嘴上方加一個保護鐵環以阻擋飛濺物影響雷射加工頭側邊的元件，但工作時間長了之後保護鐵環也會由於受熱變形。本發明的基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置不單具備上面有益效果1所述的雷射加工工藝質量的閉環控制功能，而且還具備比現有技術更優秀的保護效果。具體來說，傘狀飛濺物擋板內設計了循環水冷結構，可以堅持長時間工作而不變形，可以有效保護雷射加工頭側邊的元件(如光纖、水管、氣管等)不會因飛濺物附著而被燒蝕破壞或因高溫熔池的熱輻射而升溫變形；而且兼容設計了橫向保護氣簾結構，可以有效保護雷射加工頭的光學鏡片不被飛濺物損傷。

3、本發明特殊設計的傘狀飛濺物擋板一方面可以收集飛濺物，為熱像儀採集飛濺物信息提供支持，另一方面還對雷射加工過程中從加工頭噴嘴施加的熔池保護氣體產生聚集效果而不易外逸，使得保護氣體更多聚集在熔池上方，提供更好的保護效果。

4、本發明的傘狀飛濺物擋板內部循環水冷使得擋板自身溫度較低且保持基本平衡的穩定狀態，從而可以持續快速冷卻粘結的飛濺物，使得擋板上積累的粘結飛濺物也是冷卻狀態，這一方面使得擋板自身不易發生熱變形，另一方面使得粘結積累的飛濺物不會產生累積升溫的溫度場效應，為熱像儀提供一個穩定的背景溫度場，使得熱像儀可以精準的測定當前飛濺物的溫度及形態分布。

5、本發明的n個熱像儀可以合成全圓周擋板的飛濺物實時溫度場圖像，根據一段時間內採集的多個飛濺物實時溫度場圖像，可以檢測飛濺物的豐富信息(溫度、飛行速度、外形尺寸等)。

6、本發明的n個熱像儀的安裝方式，並非直接對著熔池，一方面可以保護熱像儀不易被飛濺物汙染，另一方面可以排除絕大部分雷射加工熔池上方的等離子體弧光的遮蔽影響，獲得清晰的飛濺物信息。

7、本發明所述的基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置及方法，具備兩種收斂迭代的工藝優化效果，一是在雷射加工過程中可以實時閉環控制、動態微調雷射加工工藝參數使得工藝質量保持穩定(接近預設的參考特徵數據)，二是對於同種(或相似品種)、多批次加工情況，通過每個批次的工藝信息記錄和質量檢測，可以閉環迭代獲得最優的加工工藝參數以及加工參數調整規律(金相分析、機械力學性能分析的加工質量人工反饋視為閉環控制的一環)。

8、本發明方法對被加工工件的薄厚都適用，不同加工工藝(焊接、熔覆、表面處理等)均適用，適應性廣，且檢測簡便，反饋迅速，自動化程度高。

附圖說明

圖1為本發明所述基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置的結構示意圖；

圖中各編號的含義為：

1-雷射加工頭；2-飛濺物擋板；3-工件；4-熱像儀；5-噴嘴保持部；6-空腔；7-熔池；8-飛濺物；9-保護鏡片；10-保護氣簾；11-循環水冷通道；12-加工雷射束；13-聚焦鏡；14-聚焦鏡保持架；15-錐形加工嘴；16-環狀突出結構；17-噴嘴孔；19-保護鏡片調整架；20-可拆卸結構；21-進水口；22-出水口。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

本發明提供了一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制裝置，如圖1所示，包括雷射加工頭1、飛濺物擋板2和多個熱像儀4。

所述雷射加工頭1呈圓筒狀，底部末端設置有錐形加工嘴15，內部的空腔6內設置有聚焦鏡13和保護鏡片9，外側壁上設置有保護氣簾10。

所述錐形加工嘴15通過噴嘴保持部5安裝在雷射加工頭1的底部，所述錐形加工嘴15的側壁內設置有循環水冷機構。

所述聚焦鏡13通過聚焦鏡保持架14和環狀突出結構16裝夾在雷射加工頭1的內壁上，保護鏡片9通過保護鏡片調整架19安裝在聚焦鏡13的下方，並與聚焦鏡13同軸安裝，所述保護鏡片9可以防止飛濺物8、煙塵等汙染到聚焦鏡13。

保護氣簾10安裝在雷射加工頭1的外側壁上，並位於保護鏡片9之下，錐形加工嘴15之上；保護氣簾10的氣體流向與聚焦鏡13的鏡片平行，可以將飛濺物、煙塵等吹離保護鏡片9。

加工雷射束12從雷射加工頭1的頂部或者側面孔入射，經過聚焦鏡13的聚焦後，通過錐形加工嘴15輸出至工件3的表面。

所述飛濺物擋板2環繞在雷射加工頭1外圍，呈傘狀，材質為金屬，飛濺物擋板2有一定厚度，內部帶有循環水冷通道11，飛濺物擋板2的下表面面對工件，其上表面設置有進水口21和出水口22；飛濺物擋板2通過一可拆卸結構20與雷射加工頭1連接，這樣既方便更換，也可以拆下來用打磨裝置去掉多次加工後粘結的飛濺物後再次使用。

飛濺物擋板2一方面可以收集飛濺物8，為熱像儀4採集飛濺物8的信息提供支持，另一方面可以擋住保護氣體外逸，使得保護氣體更多聚集在熔池7上方，提供更好的保護效果。

循環水冷通道11中的循環水冷使得飛濺物擋板2自身保持冷卻狀態，從而能夠快速冷卻粘結的飛濺物，使得飛濺物擋板2上積累的粘結飛濺物也是冷卻狀態，這一方面使得擋板自身不易發生熱變形，另一方面使得粘結積累的飛濺物不會產生累積升溫的溫度場效應，為熱像儀4提供一個穩定的背景溫度場，使得熱像儀4可以精準的測定當前飛濺物的溫度及形態分布。

多個熱像儀4均勻設置在雷射加工頭的外壁上，並位於飛濺物擋板2之下。多個熱像儀4可以實現對飛濺物擋板2的360度檢測，比如熱像儀4為6個，則每個熱像儀4所對應的擋板的監測區域為大於等於60°的扇形區域，通過6個熱像儀獲得的6幅紅外溫度場圖像進行拼接、濾波等圖像處理得到全景紅外溫度場圖像。

多個熱像儀4可以合成全圓周擋板的飛濺物實時溫度場圖像，根據一段時間內採集的多個飛濺物實時溫度場圖像，可以檢測飛濺物的豐富信息(溫度、飛行速度、外形尺寸等)。多個熱像儀4的安裝方式，並非直接對著熔池7，一方面可以保護熱像儀不易被飛濺物汙染，另一方面可以排除絕大部分雷射加工熔池上方的等離子體弧光的遮蔽影響，獲得清晰的飛濺物信息。

本發明還提供了一種基於熔池飛濺檢測的閉環雷射加工質量控制方法，包括如下步驟：

(1)裝夾待加工金屬工件，並設定預編程的雷射加工路徑和雷射加工(雷射焊接、雷射熔覆或表面處理)的初始工藝參數，所述初始工藝參數包括雷射功率、光束行進速度、離焦量、送粉/絲速率、保護氣流量等。

(2)啟動環繞設置在雷射加工頭上的飛濺物擋板的內部水冷系統、雷射加工頭自身的循環水冷系統；啟動均勻設置在雷射加工頭圓周方向上的n個熱像儀，所述n個熱像儀用於實現對飛濺物擋板的360度檢測；n個熱像儀以ts為採樣周期循環採集飛濺物擋板表面及其附近空間的紅外溫度場圖像，每次循環將獲得n幅紅外溫度場圖像，將每次循環獲得的n幅紅外溫度場圖像進行拼接、濾波等圖像處理得到全景紅外溫度場圖像，待全景紅外溫度場圖像穩定後，停止循環；將全景紅外溫度場圖像作為初始紅外溫度場全景圖像；其中n為大於等於1的正整數；所述穩定是指後一幅全景圖像與前一幅全景圖像相比差異小於a％，a的數值可以根據不同的加工應用，選用不同的值，a的取值介於1～20之間即可。

(3)輸出雷射束，輸出同步送粉/絲、送氣，以及啟動雷射加工頭與工件的預編程相對運動，按照步驟(1)中的初始工藝參數以及預編程雷射加工路徑開始進行雷射加工；取預編程雷射加工路徑上的任意k個位置作為監測點，k為大於等於1的正整數；監測點的位置可以根據預編程的雷射加工路徑、雷射束行進速度，計算出該位置與出發點的位移量和雷射束經過該位置的確定時刻(雷射束從出發點至該位置的累積行進時間)。

(4)在雷射加工過程中，n個熱像儀以ts為採樣周期循環採集飛濺物擋板表面及其附近空間的紅外溫度場圖像，並作拼接、濾波等圖像處理得到飛濺物擋板的當前全景紅外溫度場圖像，亦即獲得當前的飛濺物的特徵數據；

由於在金屬材料的雷射焊接、熔覆、表面處理等工藝過程中，高溫熔池產生一定的飛濺物是不可避免的，故所述飛濺物擋板的當前全景紅外溫度場圖像中，將記錄若干飛濺物的形狀輪廓、相對尺寸對比(通過熱像儀的視場標定可以計算飛濺物的絕對尺寸)、飛濺物的溫度分布以及飛濺物的空間位置分布密度，將這些信息稱為飛濺物的特徵數據；

(5)在每個監測點均通過當前全景紅外溫度場圖像獲得當前飛濺物的特徵數據；

若歷史資料庫中不存在參考特徵數據，則將第一次獲得的當前飛濺物的特徵數據加入歷史資料庫，並將其作為參考特徵數據；

若歷史資料庫中存在參考特徵數據，則將當前飛濺物的特徵數據與參考特徵數據進行對比；若沒有顯著變化，則進入步驟(6)；若發生顯著變化，即變化率大於x％(x由加工經驗確定，x的取值介於1～20之間即可，比如變化率大於10％)，則記錄該當前飛濺物的特徵數據對應的監測點ki，並將當前飛濺物的特徵數據加入到歷史資料庫中；同時在線調整雷射加工(焊接或熔覆)的一個或多個工藝參數，可調的工藝參數包括雷射功率、光束行進速度、離焦量、送粉/絲速率、保護氣流量等，調整規則根據雷射加工工藝的經驗規律(例如當熱成像儀檢測到飛濺物數量增加、溫度升高時，說明此時可能送粉速度過高亦或者雷射功率過高，從而反饋給雷射加工系統，及時調節送粉速度或雷射功率)，目標是使得調整後獲取的當前飛濺物的特徵數據與參考特徵數據進行對比，差異量趨於減小，直至小於x％；後續雷射加工均採用調整後的工藝參數；

(6)重複執行步驟(5)，直至完成當前加工任務，即預編程的全部雷射加工路徑均加工完畢；

(7)加工結束後，通過金相分析、機械力學性能分析等方法分析歷史資料庫中記錄的所有位置的加工質量，將獲得最優加工質量的位置所對應的特徵數據設定為參考特徵數據，其對應的雷射加工工藝參數設定為今後同種或同類加工任務的初始工藝參數，其餘數據刪除。

對於同種(或相似品種)、多批次加工情況，通過每個批次的工藝信息記錄和質量檢測，經過如上(1)至(7)的多次加工任務，可以迭代獲得最優的加工工藝參數以及加工參數調整規律。

本發明可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本發明的範圍。所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的範圍之內。