基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置及方法与流程

本发明属于激光加工领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。

本发明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。

本发明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数据与参考特征数据进行对比，差异量趋于减小，直至变化率小于x％；后续激光加工均采用调整后的工艺参数；

(6)重复执行步骤(5)，直至完成当前加工任务，即预编程的全部激光加工路径均加工完毕；

(7)加工结束后，通过金相分析和机械力学性能分析方法分析历史数据库中记录的所有位置的加工质量，将获得最优加工质量的位置所对应的特征数据设定为参考特征数据，其对应的激光加工工艺参数设定为今后同种或同类加工任务的初始工艺参数，其余数据删除。

本发明具有如下有益效果：

1、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是不可避免的，现有技术一般对其进行简单处理以防止对激光加工头产生危害。然而，由于飞溅物来自熔池，其自身携带了熔池的状态信息，如熔池温度、熔池运动状态、冶金状态等。从金属冶金学的角度看，激光加工工艺质量控制的本质是通过激光功率、光束行进速度、离焦量、送粉/丝速率、保护气流量等工艺参数的调节使得激光辐照的熔池温度合理、冶金充分、凝固组织优良。本发明通过独特的结构设计，有效的在线采集熔池飞溅物的如上信息，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，实现了完整的激光加工工艺质量的闭环控制。

2、现有技术常常采用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，但工作时间长了之后保护铁环也会由于受热变形。本发明的基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置不单具备上面有益效果1所述的激光加工工艺质量的闭环控制功能，而且还具备比现有技术更优秀的保护效果。具体来说，伞状飞溅物挡板内设计了循环水冷结构，可以坚持长时间工作而不变形，可以有效保护激光加工头侧边的元件(如光纤、水管、气管等)不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；而且兼容设计了横向保护气帘结构，可以有效保护激光加工头的光学镜片不被飞溅物损伤。

3、本发明特殊设计的伞状飞溅物挡板一方面可以收集飞溅物，为热像仪采集飞溅物信息提供支持，另一方面还对激光加工过程中从加工头喷嘴施加的熔池保护气体产生聚集效果而不易外逸，使得保护气体更多聚集在熔池上方，提供更好的保护效果。

4、本发明的伞状飞溅物挡板内部循环水冷使得挡板自身温度较低且保持基本平衡的稳定状态，从而可以持续快速冷却粘结的飞溅物，使得挡板上积累的粘结飞溅物也是冷却状态，这一方面使得挡板自身不易发生热变形，另一方面使得粘结积累的飞溅物不会产生累积升温的温度场效应，为热像仪提供一个稳定的背景温度场，使得热像仪可以精准的测定当前飞溅物的温度及形态分布。

5、本发明的n个热像仪可以合成全圆周挡板的飞溅物实时温度场图像，根据一段时间内采集的多个飞溅物实时温度场图像，可以检测飞溅物的丰富信息(温度、飞行速度、外形尺寸等)。

6、本发明的n个热像仪的安装方式，并非直接对着熔池，一方面可以保护热像仪不易被飞溅物污染，另一方面可以排除绝大部分激光加工熔池上方的等离子体弧光的遮蔽影响，获得清晰的飞溅物信息。

7、本发明所述的基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置及方法，具备两种收敛迭代的工艺优化效果，一是在激光加工过程中可以实时闭环控制、动态微调激光加工工艺参数使得工艺质量保持稳定(接近预设的参考特征数据)，二是对于同种(或相似品种)、多批次加工情况，通过每个批次的工艺信息记录和质量检测，可以闭环迭代获得最优的加工工艺参数以及加工参数调整规律(金相分析、机械力学性能分析的加工质量人工反馈视为闭环控制的一环)。

8、本发明方法对被加工工件的薄厚都适用，不同加工工艺(焊接、熔覆、表面处理等)均适用，适应性广，且检测简便，反馈迅速，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明所述基于熔池飞溅检测的闭环激光加工质量控制装置的结构示意图；

图中各编号的含义为：

1-激光加工头；2-飞溅物挡板；3-工件；4-热像仪；5-喷嘴保持部；6-空腔；7-熔池；8-飞溅物；9-保护镜片；10-保护气帘；11-循环水冷通道；12-加工激光束；13-聚焦镜；14-聚焦镜保持架；15-锥形加工嘴；16-环状突出结构；17-喷嘴孔；19-保护镜片调整架；20-可拆卸结构；21-进水口；22-出水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明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，如图1所示，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，所述保护镜片9可以防止飞溅物8、烟尘等污染到聚焦镜13。

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，可以将飞溅物、烟尘等吹离保护镜片9。

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，材质为金属，飞溅物挡板2有一定厚度，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，这样既方便更换，也可以拆下来用打磨装置去掉多次加工后粘结的飞溅物后再次使用。

飞溅物挡板2一方面可以收集飞溅物8，为热像仪4采集飞溅物8的信息提供支持，另一方面可以挡住保护气体外逸，使得保护气体更多聚集在熔池7上方，提供更好的保护效果。

循环水冷通道11中的循环水冷使得飞溅物挡板2自身保持冷却状态，从而能够快速冷却粘结的飞溅物，使得飞溅物挡板2上积累的粘结飞溅物也是冷却状态，这一方面使得挡板自身不易发生热变形，另一方面使得粘结积累的飞溅物不会产生累积升温的温度场效应，为热像仪4提供一个稳定的背景温度场，使得热像仪4可以精准的测定当前飞溅物的温度及形态分布。

多个热像仪4均匀设置在激光加工头的外壁上，并位于飞溅物挡板2之下。多个热像仪4可以实现对飞溅物挡板2的360度检测，比如热像仪4为6个，则每个热像仪4所对应的挡板的监测区域为大于等于60°的扇形区域，通过6个热像仪获得的6幅红外温度场图像进行拼接、滤波等图像处理得到全景红外温度场图像。

多个热像仪4可以合成全圆周挡板的飞溅物实时温度场图像，根据一段时间内采集的多个飞溅物实时温度场图像，可以检测飞溅物的丰富信息(温度、飞行速度、外形尺寸等)。多个热像仪4的安装方式，并非直接对着熔池7，一方面可以保护热像仪不易被飞溅物污染，另一方面可以排除绝大部分激光加工熔池上方的等离子体弧光的遮蔽影响，获得清晰的飞溅物信息。

本发明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(激光焊接、激光熔覆或表面处理)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、保护气流量等。

(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、滤波等图像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；所述稳定是指后一幅全景图像与前一幅全景图像相比差异小于a％，a的数值可以根据不同的加工应用，选用不同的值，a的取值介于1～20之间即可。

(3)输出激光束，输出同步送粉/丝、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；监测点的位置可以根据预编程的激光加工路径、激光束行进速度，计算出该位置与出发点的位移量和激光束经过该位置的确定时刻(激光束从出发点至该位置的累积行进时间)。

(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、滤波等图像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；

由于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，故所述飞溅物挡板的当前全景红外温度场图像中，将记录若干飞溅物的形状轮廓、相对尺寸对比(通过热像仪的视场标定可以计算飞溅物的绝对尺寸)、飞溅物的温度分布以及飞溅物的空间位置分布密度，将这些信息称为飞溅物的特征数据；

(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％(x由加工经验确定，x的取值介于1～20之间即可，比如变化率大于10％)，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(焊接或熔覆)的一个或多个工艺参数，可调的工艺参数包括激光功率、光束行进速度、离焦量、送粉/丝速率、保护气流量等，调整规则根据激光加工工艺的经验规律(例如当热成像仪检测到飞溅物数量增加、温度升高时，说明此时可能送粉速度过高亦或者激光功率过高，从而反馈给激光加工系统，及时调节送粉速度或激光功率)，目标是使得调整后获取的当前飞溅物的特征数据与参考特征数据进行对比，差异量趋于减小，直至小于x％；后续激光加工均采用调整后的工艺参数；

(6)重复执行步骤(5)，直至完成当前加工任务，即预编程的全部激光加工路径均加工完毕；

(7)加工结束后，通过金相分析、机械力学性能分析等方法分析历史数据库中记录的所有位置的加工质量，将获得最优加工质量的位置所对应的特征数据设定为参考特征数据，其对应的激光加工工艺参数设定为今后同种或同类加工任务的初始工艺参数，其余数据删除。

对于同种(或相似品种)、多批次加工情况，通过每个批次的工艺信息记录和质量检测，经过如上(1)至(7)的多次加工任务，可以迭代获得最优的加工工艺参数以及加工参数调整规律。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。