图1:LPCS的示意图。
随着更高的产品质量和生产速度不断提出更高的要求,业界必须提高自动化焊接过程的在线监控水平。没有在线传感器监控,将不能检测到该过程中发生的任何故障,并会因而付出代价。在焊接点后安装激光三角测量相机来在线监测焊缝的几何尺寸,这种监控技术已经成功应用在许多钣金加工中,例如现在广泛用于汽车生产的拼焊板。但是这种技术不能检测内部缺陷,也不能应用在所有类型的工艺中,例如远距离激光焊接。
其他正在开发的用于激光焊接的监控技术包括:激光同轴光学辐射检测,同轴视觉检测,旁轴声音、视觉和温度检测,等离子体辐射和电荷检测。
在过去30年中,SERVO-ROBOT一直为激光焊接的跟踪和监测提供主动式激光三角测量相机。该公司最近开发了新的激光过程控制系统(LPCS),可以单独使用或是与3D激光三角测量相机结合使用。一个使用了该系统的示例充分证明了,我们可以用其在线检测激光焊接过程的特征及缺陷。
图2:LPCS的工作原理图。
考虑到激光头以及光纤互连装置的共光路的光透射率,通过测量被激光熔化金属的凝固平台(plateau)来对光学高温计进行现场校准。图3在激光光束消失后测量冷却过程中的低碳钢板的凝固平台。调整高温计的校准以适应测试金属的固相线温度(由手册或经验公式给出)。如果需要的话,可以用工作温度范围内的两个或三个固相线温度值来校准高温计。
图3:高温计测量的钢的凝固平台。
在第一个结果(图4)中,在6mm厚的304不锈钢板上以4m/min的速度进行平板堆焊,随着激光功率(底部)从0变化到4kW然后又变回来,小孔区域的高温计温度(顶部)和激光背向反射(中部)的变化在图4中显示出来。在激光功率 500W左右时,增加的熔区的熔化温度平台和减少的熔区的凝固平台在图中清楚地显示出来。在低于1.5kW的情况下,熔池温度会升高,熔池表面会反射较大比例的激光功率。1.5至2.5kW范围内,局部发生汽化,不稳定的小孔伴随着熔池出现。在这个激光功率范围内,小孔的大小会增加。它推动着熔池,而振荡的熔池表面会产生激光背向反射。2.5至4kW范围内,稳定的小孔会达到饱和温度,不稳定的背向反射会消失。背向反射仍然增加是因为激光头的内部反射,这与激光功率直接成正比。最后的结果显示了高温计测量点的大小和位置在激光焊接温度监控中的重要性。
图4:在6mm厚的304不锈钢上,随着激光功率的变化而产生的小孔区温度和激光背向反射的变化。
下一个结果(图5)显示了1.5mm厚的镀锌低碳钢薄板上的熔池温度随着焊接线性能量(P/v)的增加而产生的变化,激光功率(P)从1.5变到4kW,焊接速度(v)从2变到8m/min。
图5:1.5mm厚的镀锌钢板上的熔池温度vs.焊接能量。
在焊接能量最大时,激光光束和小孔完全穿透了钢板,因此吸收的激光功率和平均小孔温度随之下降。
图7:在1.6mm不锈钢焊接的对接接头上,通过高温计和背向反射检测出的孔隙率和金属缺陷的缺乏。
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