專利名稱：激光焊接監(jiān)控器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接，具體涉及一種在脈沖激光焊接過程中監(jiān)控焊接質(zhì)量的方法和裝置。本發(fā)明既可用于焊接過程設(shè)計(jì)，又可用于焊接過程控制。
背景技術(shù)：
激光器常用于焊接，作為需要較小熱輸入的非接觸式能源。具體來說，具有高峰值功率和小光斑尺寸的低功率脈沖Nd:YAG激光器可將材料加熱到其熔點(diǎn)之上，而不會(huì)顯著升高焊接池附近的溫度。諸如脈沖整形和激光功率反饋等先進(jìn)性能，可通過增強(qiáng)控制激光輸出而進(jìn)一步改善固體激光器。不過，即使具有這些先進(jìn)性能，也不能提前直接預(yù)測激光-材料相互作用；從而，難以設(shè)計(jì)出可靠且易于使用的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)。
傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)使用諸如紅外(IR)，紫外(UV)，高速攝像機(jī)，聲音和聲換能器的傳感器。不過，通常難以對所監(jiān)控的焊接特性進(jìn)行分析，以區(qū)分良好與不好焊接，這是由于難以預(yù)測激光-材料相互作用。另外，常采用復(fù)雜模式匹配和/或高等數(shù)學(xué)技術(shù)來分析所采集的分布，使分析和應(yīng)用過程更為復(fù)雜。由于傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的復(fù)雜性以及難以同分析相結(jié)合，用戶通常不了解監(jiān)控過程，而完全依賴系統(tǒng)開發(fā)商制造出滿足其過程設(shè)計(jì)和/或過程控制需要的系統(tǒng)。
因此，需要提供一種方法和裝置，用于獲得焊接特性，使用簡單數(shù)學(xué)算法分析所獲得的焊接特性，并使用分析結(jié)果區(qū)分良好與不好焊接，該方法和裝置易于理解并定制，以滿足各種特殊用戶過程設(shè)計(jì)與過程控制的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種能夠評(píng)估使用脈沖激光器進(jìn)行焊接的焊接質(zhì)量的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)能獲得使用所述脈沖激光器進(jìn)行焊接的焊接特性的傳感器，所述焊接特性具有多個(gè)屬性；和數(shù)據(jù)采集與處理裝置，用于存儲(chǔ)并分析所述焊接特性，其中用戶進(jìn)行多次焊接，獲得每次焊接的至少一個(gè)焊接特性，確定每次焊接的焊接質(zhì)量，對每次焊接運(yùn)行與所述至少一個(gè)焊接特性的屬性相關(guān)的算法庫中至少一個(gè)算法，產(chǎn)生相關(guān)屬性的單值輸出，并通過將所述至少一個(gè)算法的單值輸出與焊接的焊接質(zhì)量聯(lián)系起來，選擇表示焊接質(zhì)量的屬性。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供一種監(jiān)控脈沖激光器焊接質(zhì)量的方法。該方法包括進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)焊接；獲得每次實(shí)驗(yàn)焊接的至少一個(gè)焊接特性，所述至少一個(gè)焊接特性具有多個(gè)屬性；確定每次實(shí)驗(yàn)焊接的焊接質(zhì)量；對每次焊接運(yùn)行與所述至少一個(gè)焊接特性的屬性相關(guān)的算法庫中至少一個(gè)算法，產(chǎn)生相關(guān)屬性的單值輸出；并通過將所述至少一個(gè)算法的單值輸出與焊接的焊接質(zhì)量聯(lián)系起來，選擇表示焊接質(zhì)量的屬性。
在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例中，提供一種調(diào)節(jié)脈沖激光器聚焦深度的方法。該方法包括進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)焊接；在預(yù)定初始聚焦深度附近的不同聚焦深度處進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)焊接；獲得每次實(shí)驗(yàn)焊接的溫度特性；并將導(dǎo)致溫度特性曲線上最大上升斜率的聚焦深度確定為合適的聚焦深度。


參照下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，可以理解本發(fā)明的這些和其它方面，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用于獲得焊接特性的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)的方塊圖；圖2為可從本發(fā)明實(shí)施例得出和/或用于本發(fā)明實(shí)施例的不同屬性(或參數(shù))的波形；圖3A為說明本發(fā)明實(shí)施例中的過程設(shè)計(jì)(例如，基于激光焊接特性的屬性定義良好和不好焊接)和過程控制(例如，將焊接分為良好或不好，進(jìn)行質(zhì)量控制)的流程圖；圖3B為說明本發(fā)明實(shí)施例中調(diào)節(jié)脈沖激光器聚焦深度過程的流程圖；圖4說明根據(jù)聚焦位置，獲得的各種不同激光器性質(zhì)波形；圖5A-5C說明在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，獲得基于反射分布定義焊接質(zhì)量的屬性(或參數(shù))的過程；圖6A-6C說明在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，獲得基于溫度(IR)分布定義焊接質(zhì)量的屬性(或參數(shù))的過程；圖7A-7D說明在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，獲得基于聲音分布定義焊接質(zhì)量的屬性(或參數(shù))的過程；圖8表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中不同屬性相對聚焦位置的曲線；圖9A-9D說明在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，用于焊接的能量大小以及對兩個(gè)焊接表面進(jìn)行檢驗(yàn)；圖10表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中使用焊接過程中所用不同算法產(chǎn)生的屬性(或參數(shù))曲線；圖11表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中溫度(IR)積分與焊接界面面積之間的關(guān)系；圖12表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中溫度(IR)積分與焊接強(qiáng)度之間的關(guān)系；圖13表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中聲音積分與焊接界面面積之間的關(guān)系；圖14表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中溫度(IR)積分與焊接強(qiáng)度之間的關(guān)系；圖15為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例用于獲得焊接特性的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)的方塊圖；
圖16A為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例用于獲得焊接特性的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)的方塊圖；圖16B為雙色探測器的剖面圖，該雙色探測器可應(yīng)用于圖16A的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)；圖16C為構(gòu)成圖16B雙色探測器的探測器的探測器響應(yīng)；圖17為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例用于獲得焊接特性的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)的方塊圖；以及圖18為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例具有內(nèi)部傳感器的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用于獲得(或測量)并分析激光焊接特性的焊接監(jiān)控系統(tǒng)100的方塊圖。該焊接監(jiān)控系統(tǒng)100可以用于過程設(shè)計(jì)或過程控制其中任一或者兩者。在該實(shí)施例中，由相應(yīng)數(shù)量的傳感器獲得三種信號(hào)，即反射激光輻射，紅外輻射和聲調(diào)(acoustic air)。
另外，使用閉路電視(CCTV)攝像機(jī)在焊接之前和/或之后獲得焊接部件的圖像。焊接之前對圖像進(jìn)行分析(例如，借助于幀抓取類軟件)可以檢驗(yàn)部件的識(shí)別和定位。例如，可以使用所獲得的圖像將激光束對準(zhǔn)焊接位置。焊接之后的圖像可以證實(shí)焊接位置和光斑尺寸。可以與算法的單值輸出和/或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)一起，使用這種來自圖像的、定性或定量信息，確定焊接質(zhì)量。
反射激光輻射(“反射”或“反射信號(hào)”)可以用作焊接質(zhì)量的一種表示，因?yàn)榻饘倬哂休^高的初始反射率，不過初始反射率在熔化溫度下迅速減小。另外，熔化池形狀改變反射信號(hào)，這是由于反射信號(hào)對方向的依賴性。例如，凹形焊接表面導(dǎo)致吸收增大，信號(hào)減弱。此外，平坦形狀可能導(dǎo)致直接向回反射，產(chǎn)生較強(qiáng)信號(hào)。另外，凸起形狀可能導(dǎo)致遠(yuǎn)離傳感器反射，從而導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低。
焊接池產(chǎn)生紅外(IR)熱輻射(“溫度信號(hào)”，“IR信號(hào)”或“紅外信號(hào)”)取決于表面溫度。IR信號(hào)表示出焊接池溫度，并非焊接池實(shí)際溫度的測量值。IR信號(hào)可以表示加熱程度和速度，以及材料遠(yuǎn)離表面的導(dǎo)熱能力。此外，IR信號(hào)取決于焊接表面尺寸和熔池流動(dòng)。隨著熔核增大，更大表面面積可發(fā)射IR輻射。IR信號(hào)還依賴于基材的輻射系數(shù)，低輻射系數(shù)材料具有高反射率。輻射系數(shù)大小可隨溫度改變。
熔池(一般非常熱)與周圍空氣(通常相對較涼)的相互作用，產(chǎn)生聲調(diào)(“聲音”，“聲信號(hào)”或“空氣中傳播的聲波”)。壓力變化產(chǎn)生音調(diào)。此處可使用理想氣體定律PV＝nRT，其中P＝壓力，V＝體積，n＝摩爾數(shù)，R＝常數(shù)(例如，0.0821)和T＝絕對溫度。當(dāng)進(jìn)行微分時(shí)，(dP/dt)V＝nR(dT/dt)。因此，如果溫度隨時(shí)間的變化較小，則壓力改變較小，從而聲信號(hào)較弱。不過，如果溫度隨時(shí)間的改變較大，則壓力改變較大，從而聲信號(hào)較強(qiáng)。
使用光電二極管118測量表面的反射信號(hào)(例如，1064nm(納米))。例如，光電二極管118可以為在800nm具有峰值響應(yīng)的Si(硅)光電二極管。此外，使用光電二極管102測量IR信號(hào)。光電二極管102可以為，例如在1550nm具有峰值響應(yīng)的InGaAs(銦鎵砷)光電二極管。另外，使用麥克風(fēng)124測量聲信號(hào)。麥克風(fēng)124可以為，例如20-20kHz平坦響應(yīng)麥克風(fēng)。在其他實(shí)施例中，可以使用其他傳感器或探測器(例如，監(jiān)控傳感器，等離子體傳感器，機(jī)器視覺傳感器等)替代或與光電二極管102，118和/或麥克風(fēng)124一起使用來測量激光焊接特性。
在圖1的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)100中，將光電二極管102，118和麥克風(fēng)124的干凈、低噪聲信號(hào)提供給數(shù)字轉(zhuǎn)換器128(可以為示波器，如數(shù)字示波器)，用于分析不同激光焊接特性。數(shù)據(jù)采集與處理裝置130(例如，計(jì)算機(jī)或自動(dòng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可以稱作數(shù)據(jù)處理設(shè)備)與數(shù)字轉(zhuǎn)換器128相連，對測得的焊接特性進(jìn)行處理(例如進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換)。
數(shù)據(jù)采集與處理裝置130可以包括一芯片上系統(tǒng)(SOC)。在其他實(shí)施例中，可以將數(shù)字轉(zhuǎn)換器128和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)130集成為一個(gè)監(jiān)控裝置，并且可以統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集與處理裝置。例如，在其他實(shí)施例中，數(shù)字轉(zhuǎn)換器128可以為安裝到數(shù)據(jù)采集與處理裝置中的DSP(數(shù)字信號(hào)處理)和/或DAQ(數(shù)據(jù)采集)板。在又一些實(shí)施例中，可以較少使用或者不使用數(shù)據(jù)采集與處理裝置，手工完成對測得焊接特性的分析。
可以通過光纜122提供激光信號(hào)，光纜可以為例如，任何一種多模光纖，諸如600SI(600μm直徑，階躍折射率)光纖。激光器不必為焊接監(jiān)控系統(tǒng)100的一個(gè)部件，并且可以使用任何適宜的脈沖激光器。例如，可由例如可產(chǎn)生1064nm激光束(例如，功率小于500W(瓦))的脈沖Nd:YAG激光器產(chǎn)生激光信號(hào)。在其他實(shí)施例中，可以使用任何其他適當(dāng)?shù)募す馄?，如反饋激光器，無反饋激光器，CO2激光器或者綠光激光器。在光纜122的輸出端，激光信號(hào)穿過準(zhǔn)直器120，準(zhǔn)直器120可以為任何適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直器，如可從加拿大蒙羅維亞Unitek-Miyachi公司購得的100H COL(100mm高密度準(zhǔn)直器)。
然后該激光信號(hào)施加于分色鏡110，該分色鏡110可以例如，反射99.5％的1064nm，反射10％的633nm。由此，大部分1064nm激光束被反射并施加于焊接表面。聚焦透鏡112聚焦所反射的激光束，該聚焦透鏡112可以為任何適當(dāng)?shù)耐哥R，諸如100H FOC(100高密度聚焦透鏡)。
部分激光信號(hào)從焊接表面反射回來。光信號(hào)(例如，包括反射信號(hào))穿過聚焦透鏡112和分色鏡110，施加于冷光鏡109。冷光鏡109可以例如，反射90％的450-750nm，而僅反射10％的IR(紅外)光。冷光鏡109反射的一部分光信號(hào)通過攝像鏡頭134提供給CCTV攝像機(jī)132。在所述實(shí)施例中，該CCTV攝像機(jī)132與焊接操作同軸，其中該攝像機(jī)與焊接熔核圖像和/或焊接位置在一條直線上。另外，CCTV攝像機(jī)134的工作或成象距離不明顯加長。不過，冷光鏡109可能反射和/或吸收部分IR輻射，并且IR輻射傳播更長距離，因此可引起信號(hào)減弱。
CCTV攝像機(jī)134的輸出也可以提供給數(shù)字轉(zhuǎn)換器128進(jìn)行分析?？梢远ㄖ圃摂?shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行圖像抓取，且可以包括一幀抓取器。透過冷光鏡109的反射信號(hào)反射離開分色鏡108(例如反射100％的1064nm，反射10％的663nm)，通過干涉濾光片114(例如，1064+/-10nm干涉濾光片)過濾1064nm，并通過透鏡116聚焦到光電二極管118上，透鏡116可以為例如75mm(毫米)平凸透鏡。
光電二極管118例如可以在1064nm處具有較好的靈敏度，并可迅速響應(yīng)。光電二極管118的輸出施加給數(shù)字轉(zhuǎn)換器128，進(jìn)行波形觀察和/或分析。在其他實(shí)施例中，可以不使用數(shù)字轉(zhuǎn)換器128，而將光電二極管的輸出直接提供給可具有數(shù)字轉(zhuǎn)換器功能的數(shù)據(jù)采集與處理裝置130。在另外的實(shí)施例中，可使用低通濾波器，如3極(3-pole)15kHz(千赫)低通濾波器去除焊接激光器和步進(jìn)電機(jī)(例如，用于移動(dòng)聚焦透鏡112，將焊接激光對準(zhǔn)和離開焦點(diǎn))產(chǎn)生的電噪聲。
來自焊接表面的IR信號(hào)穿過聚焦透鏡112，分色鏡和冷光鏡109，被三個(gè)高通濾波器106(例如＞1400nm)濾波，并通過透鏡104聚焦到光電二極管102上，透鏡104可以為例如，25mm平凸透鏡。在該情形中使用三個(gè)高通濾波器，不過根據(jù)應(yīng)用可以減小或增加其數(shù)量。根據(jù)思特潘-玻爾茲曼定律，大多數(shù)金屬的熔點(diǎn)在1400-1700nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的響應(yīng)。從而，例如光電二極管102可能在1400-1700nm范圍內(nèi)具有強(qiáng)靈敏度。例如，25mm平凸透鏡可以將信號(hào)強(qiáng)度加強(qiáng)10倍。可以使用高通濾波器106(例如，在阻帶內(nèi)具有OD3(10-3透射率的光密度)減小或消除泄漏的1064nm信號(hào)。在其他實(shí)施例中，可以使用多于或少于三個(gè)高通濾波器。
光電二極管102的輸出也提供給數(shù)字轉(zhuǎn)換器128，進(jìn)行處理和分析。當(dāng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器128為示波器時(shí)，還可以用于波形觀察。在其他實(shí)施例中，與光電二極管118的輸出的情形相似，可以將3極15kHz低通濾波器放置在光電二極管102與數(shù)字轉(zhuǎn)換器128之間。
使用麥克風(fēng)124檢測焊縫附近空氣快速膨脹產(chǎn)生的聲信號(hào)。預(yù)放大器126在將該信號(hào)提供給數(shù)字轉(zhuǎn)換器128之前將該信號(hào)增大到適當(dāng)?shù)拇笮?。在其他?shí)施例中，麥克風(fēng)124和預(yù)放大器126可以為一個(gè)集成裝置。在其他實(shí)施例中，在預(yù)放大器126與數(shù)字轉(zhuǎn)換器128之間可以使用一低通濾波器，例如3電極15kHz低通濾波器。該低通濾波器，例如可以減小或消除激光電源IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)產(chǎn)生的20kHz信號(hào)。無反饋激光器可能不存在20kHz信號(hào)，無反饋激光器如LW52(Unitek-Miyachi激光焊接機(jī))或任何其他無功率反饋激光焊接機(jī)。
可由例如不銹鋼(例如304SS)形成焊接表面，因?yàn)镹d:YAG輻射與304SS結(jié)合較好，該材料非常適于焊接。使用304SS能由純粹幾何問題影響結(jié)果，不會(huì)由于材料影響產(chǎn)生變形。在其他實(shí)施例中，焊接表面可以為銅，鋁或者任何其他適合的金屬，或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的合金。
在焊接過程中和/或焊接之后，最初可在數(shù)字轉(zhuǎn)換器128(當(dāng)其為示波器時(shí))上顯示光電二極管102，118和麥克風(fēng)124的輸出。數(shù)字轉(zhuǎn)換器128可以包括數(shù)據(jù)采集板(DAQ)，數(shù)字信號(hào)處理(DSP)板和/或定制電子設(shè)備其中的一個(gè)或多個(gè)。在其他實(shí)施例中，可由任何適當(dāng)裝置例如LED(發(fā)光二極管)照射，產(chǎn)生傳感器輸出顯示。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，為了解釋和作出判斷，已經(jīng)設(shè)計(jì)出分析原監(jiān)控器信號(hào)的算法?？捎上鄬唵蔚臄?shù)學(xué)技術(shù)如圖2中所示的積分和極大值，表示該算法。
圖2為波形152的曲線150(例如，由一個(gè)探測器獲得的焊接特性分布)，表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中可測量和/或使用的不同屬性(或參數(shù))。在波形數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集與處理裝置/計(jì)算機(jī)之后，可以使用包括簡單數(shù)學(xué)，代數(shù)和/或微積分操作的算法如最大，最小，斜率，積分等，獲得可用于區(qū)分良好焊接與不好焊接的屬性(參數(shù)或性質(zhì))的單值輸出。可以將這些算法歸一化以方便比較。
例如，波形152的特性有極大值154，下降斜率156，上升斜率158和波形下面積的積分160。在一個(gè)實(shí)施例中，可使用MicrosoftExcel公式和/或Visual Basic編程實(shí)現(xiàn)該算法。Microsoft和VisualBasic為微軟公司(特拉華公司，雷德蒙，美國華盛頓州)的注冊商標(biāo)。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由屬性單值算法結(jié)果改善作出判斷的過程。對于所獲得的波形，與模式匹配和/或應(yīng)用高級(jí)數(shù)學(xué)技術(shù)相比，使用單值進(jìn)行判斷一般易于實(shí)現(xiàn)。因此，可使用屬性的單一數(shù)值作為焊接性能的定量測量結(jié)果。定量結(jié)果易于與用于“良好”或“不好”判斷的預(yù)定數(shù)值進(jìn)行比較。而且，本身為單值的焊接質(zhì)量測量，可能與算法結(jié)果聯(lián)系起來，提供一種焊接質(zhì)量測量方法。
圖3A說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，制定(即過程設(shè)計(jì))和執(zhí)行焊接監(jiān)控(即過程控制)的方法。步驟200-208為過程設(shè)計(jì)步驟，用于最初設(shè)計(jì)焊接監(jiān)控器，一般在焊接過程開始時(shí)運(yùn)行。另一方面，步驟210和212為過程控制步驟，可以重復(fù)運(yùn)行，為正在進(jìn)行的焊接過程提供過程控制。
在步驟200，進(jìn)行焊接(例如實(shí)驗(yàn)焊接)并獲得焊接特性曲線(即對于不同激光能量級(jí)等，隨時(shí)間采集的焊接特性(例如反射，IR和/或聲信號(hào))分布)。
在步驟202，通過運(yùn)行從與屬性有關(guān)的算法庫中選擇出的算法，確定每次焊接特性曲線一個(gè)或多個(gè)屬性(或參數(shù))的單一數(shù)值。例如，對于每個(gè)焊接特性(反射，聲音，IR等)，通過數(shù)學(xué)算法(極大值，極小值，斜率，積分，其他代數(shù)/微積分函數(shù)等)確定屬性的單一數(shù)值，并作圖表示該單一數(shù)值。也可以針對一個(gè)時(shí)間周期例如激光脈沖開始時(shí)開始，確定屬性。為了進(jìn)行比較，可以將所有屬性表示在同一幅圖上。例如，圖8表示多個(gè)不同屬性相對聚焦位置的曲線。從圖8可以看出，隨著聚焦位置從焦點(diǎn)變化到焦點(diǎn)外，屬性值發(fā)生改變。
在步驟204，確定每次焊接的焊接質(zhì)量?？蓪⒛承┖附哟_定為“良好”，而將其他確定為“不好”?？赏ㄟ^物理測試和/或視覺檢查評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量。物理測試可以包括測試焊接強(qiáng)度，焊接界面面積，焊接橫截面等，并且可以通過破壞性試驗(yàn)來確定。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可確定五組焊接的焊接質(zhì)量，焊接質(zhì)量從a)最好，到b)良好，到c)中等，到d)差，到e)最差?？赏ㄟ^不同激光設(shè)置(例如能量強(qiáng)度)定義這些組，且每組可包括一定焊接數(shù)量(例如5)。
在步驟206，將算法的單值輸出(例如來自步驟202)與焊接質(zhì)量(例如來自步驟204)相關(guān)，選擇表示焊接質(zhì)量的屬性。所選擇屬性的性質(zhì)應(yīng)該是一致的(例如，相對最佳情形的遞增或遞減函數(shù))，以便據(jù)此來區(qū)分良好焊接與不好焊接。例如，在圖8中，諸如溫度(IR)上升斜率，聲音積分，聲音上升斜率等的若干屬性，說明焦點(diǎn)偏離聚焦參考值0.000cm(恰好對準(zhǔn)焦點(diǎn))時(shí)具有高靈敏度。
在步驟208，為了質(zhì)量控制，針對與選定屬性有關(guān)的算法的單值輸出定義良好和不好焊接。例如參照圖11，可以認(rèn)為焊接界面面積為0.085mm2或者更大的任何焊接為良好的，而小于0.085mm2的焊接界面面積被認(rèn)為是不好的。如從圖11可以看出，0.085mm2的焊接界面面積大致相當(dāng)于大約0.007溫度(IR)曲線下的面積。
在步驟210，執(zhí)行焊接，并且運(yùn)行與選定屬性有關(guān)的算法，獲得相應(yīng)的單值輸出。然后在步驟212基于該算法的單值輸出，將焊接歸類為良好或不好焊接。例如，對于步驟210中的焊接，可以將具有大約0.007(相當(dāng)于0.085mm2焊接界面面積)或更高溫度(IR)曲線的焊接視作良好焊接。
圖3B為流程圖，說明在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中調(diào)節(jié)脈沖激光器聚焦深度的過程。在步驟214，執(zhí)行若干次焊接(實(shí)驗(yàn)焊接)，且針對每次焊接獲得至少一個(gè)溫度特性曲線。在預(yù)定初始聚焦深度附近不同聚焦深度處執(zhí)行這些焊接?？捎上到y(tǒng)開發(fā)商或由用戶選擇初始聚焦深度，并且應(yīng)該近似為激光器焦點(diǎn)對準(zhǔn)時(shí)的聚焦深度。
因此，例如首先以近似焦點(diǎn)對準(zhǔn)時(shí)的聚焦深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)焊接，并且可圍繞該初始近似焦點(diǎn)對準(zhǔn)聚焦深度上下調(diào)節(jié)聚焦深度，同時(shí)獲得每個(gè)聚焦深度時(shí)的溫度特性曲線。
在步驟216，將導(dǎo)致溫度特性曲線最大上升斜率(即，最大上升斜率算法的單值輸出或者溫度的最大改變速率)的聚焦深度定義為合適(即焦點(diǎn)對準(zhǔn))聚焦深度?？梢詫⑵湟曌鲌D3A中所示方法的特殊情形，其中已經(jīng)將所需屬性(例如溫度特性曲線的最大上升斜率)確定為表示焦點(diǎn)對準(zhǔn)聚焦深度的屬性。在其他實(shí)施例中，也可以通過在焊接時(shí)運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)算法，確定每次焊接的焊接質(zhì)量然后將該算法的單值輸出與焊接質(zhì)量聯(lián)系起來，來選擇表示焦點(diǎn)對準(zhǔn)聚焦深度的屬性。
圖4表示示波器輸出220，表示基于聚焦位置，即對于+0.254cm，+0.127cm，0.000cm，-0.127cm和-0.254cm聚焦位置的不同分布。分布222表示在焦點(diǎn)上+0.254cm距離時(shí)的反射，IR和聲音分布。此外，分布224表示在焦點(diǎn)上+0.127cm距離時(shí)的反射，IR和聲音分布。另外，分布226表示在焦點(diǎn)時(shí)(即，0.000cm距離)的反射，IR和聲音分布。分布228和230分別表示在焦點(diǎn)下-0.127cm和-0.254cm距離時(shí)的分布。
在采集這些分布時(shí)，聚焦位置改變焊接期間可以改變工作距離，算法結(jié)果呈現(xiàn)出對改變的敏感性很強(qiáng)?？梢栽诎迳现?bead-on-plate)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行點(diǎn)焊?？梢允褂?kW峰值功率的LW50A(Unitek-Miyachi激光焊接機(jī))脈沖Nd:YAG激光器取得這些分布。在其他實(shí)施例中，可以使用任何其他的功率反饋激光器取得這些分布。
激光脈沖(例如1kW，5J)可以產(chǎn)生直徑為0.610mm，深度為0.305mm恰好處于焦點(diǎn)處的焊接熔核。在本發(fā)明實(shí)施例中，可使用z-軸步進(jìn)電機(jī)增加0.127cm，改變聚焦深度。
在圖4中可以看出焊接輪廓和原監(jiān)控信號(hào)(焊接特性分布)的趨勢。如在圖4中可以看出，在焦點(diǎn)處焊接輪廓壁比較陡，而隨著聚焦深度遠(yuǎn)離焦點(diǎn)位置(焦點(diǎn)之上或之下)焊接輪廓壁可以逐漸變淺(傳導(dǎo)焊接類型)。同樣，當(dāng)從焦點(diǎn)對準(zhǔn)移動(dòng)到焦點(diǎn)不對準(zhǔn)時(shí)，所有監(jiān)控信號(hào)均可改變形狀。
溫度(IR)信號(hào)在焦點(diǎn)處由于大上坡(上升斜率)而具有最大曲線下面積。隨著工作距離移到焦點(diǎn)之外(之上和之下)，溫度(IR)上升斜率下降并產(chǎn)生三角形形狀。在焦點(diǎn)處，聲信號(hào)波形在開始時(shí)具有極大值，在脈沖之后具有最大負(fù)坑。正值和負(fù)坑在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)(之上和之下)時(shí)變得不顯著。
圖5A-5C，6A-6C和7A-7D表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中隨著焦點(diǎn)改變獲得屬性(或參數(shù))單值輸出(數(shù)學(xué)算法)，基于不同焊接特性定義焊接質(zhì)量的方法。
圖5A-5C表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在反射分布的基礎(chǔ)上獲得屬性單值輸出，定義焊接質(zhì)量的方法(數(shù)學(xué)算法)。在圖5A的步驟250中，確定每個(gè)分布的反射信號(hào)極大值，并且在步驟252中將具有最大極大值的分布選作在焦點(diǎn)處(或焦點(diǎn)對準(zhǔn))焊接的分布。
在圖5B的步驟260中，從0.4ms到5ms積分反射分布，并且在步驟262中確定每個(gè)分布的極大值。在步驟264，將具有最小極大值的分布定義為在焦點(diǎn)處焊接的分布。在圖5C的步驟270，從0ms到5ms積分反射分布，并在步驟272中確定每個(gè)分布的極大值。在步驟274，將具有最小極大值的分布定義為在焦點(diǎn)處焊接的分布。
圖6A-6C表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，在IR分布的基礎(chǔ)上獲得屬性單值輸出，確定焊接質(zhì)量的方法(數(shù)學(xué)算法)。在圖6A的步驟300，確定每個(gè)分布的反射信號(hào)極大值，并且在步驟302中將具有最大極大值的分布選作在焦點(diǎn)處(或焦點(diǎn)對準(zhǔn))焊接的分布。
在圖6B的步驟310中，求出從0.0ms到0.5ms的斜率，并在步驟312中確定每個(gè)分布的極大值。在步驟314，將具有最大極大值的分布確定為在焦點(diǎn)處焊接的分布。在圖6C的步驟320，從0ms到5ms積分IR分布，并且在步驟322中確定每個(gè)分布的極大值。在步驟324，將具有最大極大值的分布確定為在焦點(diǎn)處焊接的分布。
圖7A-7D表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，在聲音分布的基礎(chǔ)上獲得屬性單值輸出，確定焊接質(zhì)量的方法(數(shù)學(xué)算法)。在圖7A的步驟350中，確定每個(gè)分布的聲信號(hào)極小值，并在步驟352中將具有最小極小值的分布選作在焦點(diǎn)處(或焦點(diǎn)對準(zhǔn))焊接的分布。
在圖7B的步驟360中，分布被從0.0ms到0.5ms積分，并在步驟362中確定每個(gè)分布的極大值。在步驟364，將具有最大極大值的分布確定為在焦點(diǎn)處焊接的分布。在圖7C的步驟370中，從5ms到11.5ms積分聲音分布，并在步驟372中確定每個(gè)分布的極大值。在步驟374，將具有最小極小值的分布確定為在焦點(diǎn)處焊接的分布。在圖7D的步驟380中，求出從0.25ms到0.4ms的斜率，并在步驟382中確定每個(gè)分布的最大。在步驟384，將具有最大極大值的分布確定為在焦點(diǎn)處焊接的分布。
在圖8中可以看出，算法結(jié)果對聚焦位置有很強(qiáng)的敏感性?？梢詫⑺惴ㄚ厔莘譃榈?，中等和高敏感性。例如，高敏感性算法可能在焦點(diǎn)位置處具有(歸一化)值1，并在最大離焦?fàn)顟B(tài)具有較低數(shù)值(＜0.3)。較低敏感度算法(例如極大值＜0.8)可能依然可用，特別是如果從一次焊接到另一焊接測量變化較小時(shí)。在該實(shí)施例中，正如可從歸一化算法輸出400看出，IR和聲音算法可能對焦點(diǎn)(或聚焦)位置最敏感。
圖9A表示搭接焊接420，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中通過焊接422將基材424和426焊接在一起。例如，基材424可以為0.102mm厚不銹鋼(例如304型)，基材426可以為0.635mm厚不銹鋼(例如304型)。激光器可以為LW50A激光器，并且可以使用400SI光纖傳送激光信號(hào)用于進(jìn)行焊接?？捎?00/100FX聚焦頭(Unitek-Miyachi FX系列聚焦頭)或者任何其他適當(dāng)?shù)木劢诡^聚焦激光信號(hào)。例如，可以以4度傾斜進(jìn)行焊接，并獲得大約0.480mm焊縫。
搭接焊接可以改變?nèi)凵?。激光焊接監(jiān)控結(jié)果可能與熔深改變有關(guān)?？赏ㄟ^增大1.4kW固定峰值功率處的脈沖寬度，增大激光脈沖能量。
圖9B表示進(jìn)行抗拉牽引試驗(yàn)430，測量焊接強(qiáng)度。抗拉牽引試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，將焊牢的基材424和426分開，測量它們能承受多大力而不分離。圖9C表示用于實(shí)現(xiàn)焊接的不同脈沖能量，以及可隨能量大小改變的脈沖持續(xù)時(shí)間。圖9D表示下部基材426表面上焊接界面區(qū)域436的俯視圖。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，設(shè)計(jì)出多種算法，并將其應(yīng)用于原監(jiān)控信號(hào)(焊接特性分布)。圖10表示在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)用于不同焊接熔深的焊接特性的不同算法產(chǎn)生的屬性單值輸出曲線440。可以看出，有些趨勢是不期望的，有些是期望的，但具有較低敏感度，而有些是期望的且具有較高敏感度。具有較好敏感度的期望趨勢為例如，溫度(IR)積分，聲音極負(fù)(acoustic minimumnegative)，聲音積分和聲音上坡，如從圖10可以看出。
在每次調(diào)整時(shí)可重復(fù)多次搭接焊接。圖11-14說明在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，焊接強(qiáng)度與監(jiān)控信號(hào)之間的關(guān)系。例如，聲音積分與質(zhì)量輸出(界面面積和抗張強(qiáng)度)之間的線性擬合可以保持R2值大于0.95，并且溫度(IR)積分?jǐn)M合可以獲得同樣的R2值。
為了重復(fù)測量可進(jìn)行多次焊接。數(shù)據(jù)點(diǎn)的分散性可以表示監(jiān)控器和焊縫質(zhì)量測量兩者的變化。可以保持多次焊接的強(qiáng)相關(guān)性，表明本實(shí)施例的潛在用途和在工業(yè)應(yīng)用中的使用。
圖11表示焊接界面面積與溫度(IR)積分之間的關(guān)系曲線450。用曲線y＝-712.31x2+19.558x-0.0178和R2＝0.9643擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖12表示焊接強(qiáng)度(lbs)與溫度(IR)積分之間的關(guān)系曲線452。用曲線y＝-93681x2+2641.6x-2.6676和R2＝0.9434擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖13表示焊接界面面積與聲音積分之間的關(guān)系曲線470。用曲線y＝-2.2322x-0.0167和R2＝0.9598擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖14表示抗張焊接強(qiáng)度與溫度(IR)積分之間的關(guān)系曲線480。用曲線y＝-296.72x-2.5192和R2＝0.972擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)。
圖15為在本發(fā)明另一實(shí)施例中用于獲得(或測量)并分析激光焊接特性的焊接監(jiān)控系統(tǒng)500的方塊圖。在該實(shí)施例中，分別由光電二極管526和524獲得反射激光輻射(即反射信號(hào))和紅外輻射(即IR信號(hào))。另外，使用閉路電視(CCTV)攝像機(jī)502在焊接之前和/或焊接之后獲得焊接部分的圖像。圖15中系統(tǒng)500的多個(gè)部件與圖1中系統(tǒng)100的部件相同或相似。此外，可以將光電二極管和/或CCTV攝像機(jī)的輸出提供給與系統(tǒng)100中所用相同的數(shù)字轉(zhuǎn)換器和/或數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。
使用光電二極管526測量來自焊接表面的反射信號(hào)(例如1064nm)。光電二極管526可以為例如，在800nm具有峰值響應(yīng)的Si(硅)光電二極管。另外，使用光電二極管524測量IR信號(hào)。光電二極管524可以為例如，在1550nm具有峰值響應(yīng)的InGaAs(銦鉀砷)光電二極管。在其他實(shí)施例中，可使用其他傳感器或探測器(例如，監(jiān)控傳感器，機(jī)器視覺傳感器等)替代或與光電二極管524和/或526一起使用來測量激光焊接特性。
可通過光纜522提供激光信號(hào)，光纜522可以為任何適當(dāng)光纖?？捎擅}沖式1064nm Nd:YAG激光器產(chǎn)生激光信號(hào)。在光纜522的輸出端，激光信號(hào)穿過準(zhǔn)直器518，準(zhǔn)直器518可以為任何適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直器。然后可以將激光信號(hào)施加于分色鏡510，分色鏡510可以，例如反射99.5％的1064nm，反射10％的633nm。由適當(dāng)?shù)木劢雇哥R512將反射激光信號(hào)聚焦在焊接表面上。
部分激光信號(hào)從焊接表面反射回來。所反射信號(hào)向回通過聚焦透鏡512和分色鏡510，從分色鏡508反射離開(例如反射100％的1064nm。反射10％的633nm)，通過干涉濾光片516(例如1064+/-10nm干涉濾光片)過濾1064nm，并通過透鏡520聚焦到光電二極管526上，透鏡520可以為例如，75mm(毫米)平凸透鏡。
來自焊接表面的IR信號(hào)透過聚焦透鏡512和分色鏡，并施加于半導(dǎo)體激光反射鏡506，半導(dǎo)體激光反射鏡反射100％的1400-1700nm。對于高溫過程，可由1200-1300nm反射鏡替代半導(dǎo)體激光反射鏡506。然后通過透鏡514將IR信號(hào)聚焦到光電二極管524上，透鏡514可以為例如25mm平凸透鏡。在本實(shí)施例中，無需諸如圖1中高通濾波器106的高通濾波器，因?yàn)樵摪雽?dǎo)體激光反射鏡506將1400-1700nm波長之間的輻射反射到光電二極管524。
激光焊接光信號(hào)中未被分色鏡或半導(dǎo)體激光反射鏡506反射的部分，通過攝像鏡頭504提供給CCTV攝像機(jī)502。在所述實(shí)施例中，CCTV攝像機(jī)502與焊接過程同軸。換句話說，攝像機(jī)對準(zhǔn)將要進(jìn)行焊接的位置。與圖1中的激光焊接系統(tǒng)100相比，可以增大攝像機(jī)的工作距離，可導(dǎo)致視場和/或放大率稍稍減小。
圖16A為在本發(fā)明又一實(shí)施例中用于獲得(或測量)并分析激光焊接特性的焊接監(jiān)控系統(tǒng)550的方塊圖。在本實(shí)施例中，由雙色探測器552獲得反射激光輻射(即反射信號(hào))和紅外輻射(即IR信號(hào))。另外，使用閉路電視(CCTV)攝像機(jī)568在焊接之前和/或焊接之后獲得焊接部分的圖像。在其他實(shí)施例中，可使用其他傳感器或探測器(例如監(jiān)控傳感器，機(jī)器視覺傳感器等)替代或與雙色探測器552一起使用來測量激光焊接特性。
圖16A系統(tǒng)550中的多個(gè)部件可以與圖1中系統(tǒng)100的部件相同或相似。另外，可將光電二極管和/或CCTV攝像機(jī)的輸出提供給與系統(tǒng)100中所用相同的數(shù)字轉(zhuǎn)換器和/或數(shù)據(jù)采集與處理裝置進(jìn)行處理和分析。
可通過光纜570提供激光信號(hào)，光纜570可以為任何適當(dāng)?shù)墓饫w?？捎?064nm脈沖Nd:YAG激光器產(chǎn)生激光信號(hào)。在光纜570的輸出端，激光信號(hào)通過準(zhǔn)直器564，準(zhǔn)直器564可以為任何適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直器。然后可以將激光信號(hào)施加于分色鏡560，分色鏡560可以例如，反射99.5％的1064nm，反射10％的633nm。由適當(dāng)?shù)木劢雇哥R562將反射激光信號(hào)聚焦到焊接表面上。
焊接處理的光信號(hào)包括反射信號(hào)和IR信號(hào)以及其他光信號(hào)。光信號(hào)通過聚焦透鏡562和分色鏡560，并施加于冷光鏡558。冷光鏡558可以例如，反射90％的450-750nm，并可僅反射10％的IR(紅外)。被冷光鏡558反射的光信號(hào)部分通過攝像鏡頭566提供給CCTV攝像機(jī)568。
透過冷光鏡558的光信號(hào)部分通過透鏡554施加給雙色探測器552，透鏡554可以為例如25mm平凸透鏡。該光信號(hào)部分還可以穿過1.2-1.31μm半導(dǎo)體反射鏡或高通濾波器(＞1μm)，可選擇其中任何一個(gè)。
圖16B為雙色探測器580的剖面圖，該探測器可以用作圖16A中的雙色探測器552。雙色探測器580包括一頂部探測器582和一底部探測器584。如從圖16B可以看出，頂部探測器582的有效面積大于底部探測器584。頂部探測器例如可以為用于探測1064nm反射信號(hào)的硅探測器。底部探測器例如可以為用于探測1200-1700nmIR信號(hào)的InGaAs探測器。
圖16C表示構(gòu)成圖16B中雙色探測器的探測器的探測器響應(yīng)曲線592和594。探測器響應(yīng)曲線592例如相應(yīng)于頂部探測器(例如硅探測器)，峰值在1000nm附近；探測器響應(yīng)曲線594例如相應(yīng)于底部探測器(例如InGaAs探測器)，峰值在1500nm附近。
與圖1中系統(tǒng)100相比，系統(tǒng)550尺寸更加緊湊，且包括更少部件。另外，不明顯加長CCTV攝像機(jī)568的工作或成像距離。不過，當(dāng)使用雙色探測器時(shí)，IR輻射當(dāng)穿過頂部探測器(即Si探測器)時(shí)可能減少30％。另外，頂部探測器不可能吸收所有1064nm信號(hào)，并可能污染施加給InGaAs探測器的信號(hào)。
圖17為在本發(fā)明另一實(shí)施例中用于獲得(或測量)并分析激光焊接特性的焊接監(jiān)控系統(tǒng)600的方塊圖。在本實(shí)施例中，由光電二極管602和628分別獲得反射激光輻射和紅外輻射。另外，使用閉路電視(CCTV)攝像機(jī)608在焊接之前和/或焊接之后獲得焊接部分的圖像。圖17系統(tǒng)600的多個(gè)部件可以與圖1中系統(tǒng)100的部件相同或相似。而且，可將光電二極管和/或CCTV攝像機(jī)的輸出提供給與系統(tǒng)100中所用相同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和/或數(shù)據(jù)采集與處理裝置進(jìn)行處理和分析。
使用光電二極管628測量焊接表面的反射信號(hào)(例如1064nm)。光電二極管628例如可以為在800nm具有峰值響應(yīng)的Si(硅)光電二極管。另外，使用光電二極管602測量IR信號(hào)。光電二極管602可以例如為在1550nm具有峰值響應(yīng)的InGaAs光電二極管。在其他實(shí)施例中，可以使用其他傳感器或探測器(例如，監(jiān)控傳感器，機(jī)器視覺傳感器等)替代或與光電二極管602和/或628一起使用，測量激光焊接特性。
可通過光纜626提供激光信號(hào)，光纜626可以為任何適當(dāng)?shù)墓饫w?？捎擅}沖式1064nm Nd:YAG激光器產(chǎn)生激光信號(hào)。在光纜626的輸出端，激光信號(hào)穿過準(zhǔn)直器622，準(zhǔn)直器622可以為任何適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直器。然后可以將激光信號(hào)施加給分色鏡620，分色鏡620例如可以反射99.5％的1064nm，反射10％的633nm。然后所反射的激光信號(hào)透過冷光鏡624，并通過適當(dāng)?shù)木劢雇哥R612聚焦到焊接表面上。冷光鏡624例如可以反射90％的450-750nm，反射10％的IR。
來自焊接表面的光信號(hào)首先通過聚焦透鏡612施加到冷光鏡624。450-750nm光信號(hào)成分主要被冷光鏡624反射，并通過攝像鏡頭610被CCTV攝像機(jī)608探測到。在本實(shí)施例中，CCTV攝像機(jī)608與焊接過程同軸，并且縮短了攝像機(jī)的工作或成像距離。冷光鏡612可以反射和吸收部分IR輻射。
反射信號(hào)透過分色鏡620，反射離開分色鏡618(例如100％反射1064nm，10％反射663nm)，通過干涉濾光片(例如，1064+/-10nm干涉濾光片)過濾1064nm，并由透鏡616聚焦到光電二極管628上，透鏡616例如可以為75mm(毫米)平凸透鏡。
來自焊接表面的IR信號(hào)穿過聚焦透鏡612，冷光鏡624和分色鏡，并被三個(gè)高通濾波器106(例如，＞1400nm)濾波，由透鏡604聚焦到光電二極管602上，透鏡604可以例如為25mm(毫米)平凸透鏡。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，如圖18的激光系統(tǒng)650所示，傳感器668(例如焊接監(jiān)控傳感器)在激光器內(nèi)部。該激光器系統(tǒng)包括一產(chǎn)生激光輸出的激光諧振腔652。激光輸出被反射鏡654和656反射，然后通過光纖輸入耦合器658耦合到多模光纖660。在多模光纖660端部，激光輸出施加給端效應(yīng)器662，然后施加到焊接表面664。反射激光信號(hào)向回提供給激光器，被傳感器668檢測。使用內(nèi)部傳感器，如傳感器668，可以改善焊縫附近的空間分配。
雖然在某些特殊實(shí)施例中描述了本發(fā)明，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以想到許多其他變型和改變。從而應(yīng)該理解可以用特別描述以外的其他方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施方式在所有方面都是示意性的，而非限定由所附權(quán)利要求和其等價(jià)范圍確定的本發(fā)明范圍。
例如，在其他實(shí)施例中，可以進(jìn)行不同焊接來評(píng)估焊接特性，并且從中產(chǎn)生分布。例如，在其他實(shí)施例中，可以改變界面間隙，改變對接焊縫和/或改變角接點(diǎn)焊，獲得焊接特性，并設(shè)計(jì)出焊接質(zhì)量控制算法。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，能評(píng)估使用脈沖激光器進(jìn)行焊接的焊接質(zhì)量，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)能獲得使用所述脈沖激光器進(jìn)行焊接的焊接特性的傳感器，所述焊接特性具有多個(gè)屬性；和數(shù)據(jù)采集與處理裝置，適用于保存并分析所述焊接特性，其中用戶執(zhí)行多次焊接，獲得每次焊接的至少一個(gè)焊接特性，確定每次焊接的焊接質(zhì)量，在每次焊接的所述至少一個(gè)焊接特性上運(yùn)行與屬性有關(guān)的算法庫中至少一個(gè)算法，產(chǎn)生相關(guān)屬性的單值輸出，并通過將所述至少一個(gè)算法的單值輸出與焊接的焊接質(zhì)量聯(lián)系起來，選擇一表示焊接質(zhì)量的屬性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，其中用戶在不同焊接條件下進(jìn)行焊接，當(dāng)焊接條件改變時(shí)，將焊接質(zhì)量變化與所述至少一個(gè)算法的單值輸出改變聯(lián)系起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)傳感器包括至少一個(gè)從光電二極管，麥克風(fēng)，監(jiān)控傳感器，等離子體傳感器和機(jī)器視覺傳感器組成的組中選擇出的傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，其中所述焊接特性包括從反射信號(hào)，IR信號(hào)和聲信號(hào)組成的組中選擇出的至少一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，其中所述屬性包括從極大值，極小值，斜率，積分組成的組中選擇出的至少一個(gè)，至少一個(gè)代數(shù)函數(shù)和至少一個(gè)微積分函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，其中從反饋激光器，無反饋激光器，Nd:YAG激光器，CO2激光器和綠光激光器組成的組中選擇所述脈沖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，還包括一能夠獲得焊接部分圖像的CCTV攝像機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)采集與處理裝置包括一用于處理所述焊接特性的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括從示波器，數(shù)字示波器，DSP板，DAQ板和定制電子裝置組成的組中選擇出的至少一個(gè)。
9.一種監(jiān)控脈沖激光器焊接質(zhì)量的方法，所述方法包括進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)焊接；獲得每次實(shí)驗(yàn)焊接的至少一個(gè)焊接特性，所述至少一個(gè)焊接特性具有多個(gè)屬性；確定每次實(shí)驗(yàn)焊接的焊接質(zhì)量；在每次焊接所述至少一個(gè)焊接特性上運(yùn)行與屬性有關(guān)的算法庫中至少一個(gè)算法，產(chǎn)生相關(guān)屬性的單值輸出；并且通過將所述至少一個(gè)算法的單值輸出與實(shí)驗(yàn)焊接的焊接質(zhì)量聯(lián)系起來，選擇表示焊接質(zhì)量的屬性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)焊接包括，當(dāng)焊接條件改變時(shí)，在不同焊接條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)焊接，將焊接質(zhì)量改變與所述至少一個(gè)算法的單值輸出的改變聯(lián)系起來。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中運(yùn)行算法庫中至少一個(gè)算法包括，產(chǎn)生從極大值，極小值，斜率，積分組成的組中選擇出的至少一個(gè)屬性的單值輸出，至少一個(gè)代數(shù)函數(shù)和至少一個(gè)微積分函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中確定焊接質(zhì)量包括進(jìn)行焊接強(qiáng)度檢測。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中確定焊接質(zhì)量包括進(jìn)行焊接界面面積檢測。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在與選定屬性有關(guān)的算法的單值輸出的基礎(chǔ)上，確定良好和不好焊接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括進(jìn)行焊接；獲得焊接的焊接特性；以及在焊接的焊接特性上運(yùn)行與選定屬性有關(guān)的算法，產(chǎn)生單值輸出。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括通過比較該焊接的單值輸出與良好和不好焊接的定義，確定焊接為良好焊接還是不好焊接。
全文摘要
提供一種激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，能評(píng)估使用脈沖激光器進(jìn)行焊接的焊接質(zhì)量。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)傳感器，能獲得使用所述脈沖激光器進(jìn)行焊接的焊接特性。該焊接特性具有多個(gè)屬性。該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集與處理裝置，用于保存和分析焊接特性。用戶首先進(jìn)行多次焊接，獲得每次焊接的至少一個(gè)焊接特性。然后用戶確定每次焊接的焊接質(zhì)量，并在焊接所述至少一個(gè)焊接特性曲線上運(yùn)行與屬性有關(guān)的算法庫中至少一個(gè)算法，產(chǎn)生相關(guān)屬性的單值輸出。用戶通過將所述至少一個(gè)算法的單值輸出與焊接的焊接質(zhì)量聯(lián)系起來，選擇表示焊接質(zhì)量的屬性。
文檔編號(hào)G01N3/06GK1476951SQ03152378
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者格里高利·拜茨, 吉利什·科爾卡, 科爾卡, 格里高利 拜茨 申請人:尤尼泰克米亞奇國際公司