一种激光玻璃焊接控制系统及方法与流程

本发明涉及激光焊接加工技术领域，尤其涉及一种激光玻璃焊接控制系统及方法。

背景技术：

玻璃作为一种非晶无机非金属材料,凭借化学特性稳定、透明、硬度高、美观等优势,在医疗、航天、建筑、日用、艺术、医疗、化学、电子、仪表、核工程等领域具有广泛的应用。

玻璃的广泛应用带动了玻璃加工方法、工艺、设备的快速发展。市场对玻璃焊接的需求快速增加，传统的玻璃成型、切割工艺无法满足复杂的应用需求。

传统的激光玻璃焊接工艺是在焊接界面处出添加焊接辅料，然后使激光聚焦到辅料上。辅料先融化再凝固，这样两块玻璃就连接在了一起。由于焊接处添加的焊料通常不具备玻璃“中性”、化学性质稳定的特点，易腐蚀、老化，通过这种方式焊接出来的玻璃产品的应用场景具有很大的局限性。

目前不添加辅料、采用超快激光器对玻璃直接焊接，成为热门的研究方向。相较于传统焊接中的金属材料，由于玻璃材料具有平整度差、硬度高、脆性大、内部应力大等特点，且超快激光器具有焦深较短等特点，因此在直接玻璃焊接中会遇到以下难题：

(1)玻璃材料平整度差、硬度高，焊接面贴合难度大，焊接焦面位置变化较大导致焊接效果不一致；

(2)玻璃内部应力大，在焊接过程中(特别是激光器出光关光时)激光能量变化较快时焊接效果差异大，甚至会出现裂纹；

(3)玻璃材料加工一致性较差，尺寸波动大，同一种产品也难以采用固定的加工模板进行加工；

上述问题导致激光焊接中，焊接效果不稳定，难以批量生产。因此，有必要提出一种激光玻璃焊接控制系统及方法，以解决现有技术中存在的至少一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种激光玻璃焊接控制系统及方法，保证激光玻璃焊接效果的一致性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激光玻璃焊接控制系统，包括主控装置、运动控制装置、运动平台、拍摄装置、测距装置、激光焊接装置和外光路系统，所述主控装置与运动控制装置、拍摄装置和测距装置连接，所述运动控制装置与激光焊接装置和运动平台连接，所述运动控制装置用于调节运动平台与激光焊接装置之间的相对距离，所述外光路系统用于将激光入射到待焊接件上，所述待焊接件置于运动平台上。

优选地，所述运动控制装置与激光焊接装置连接，通过移动激光焊接装置来控制焊接头与待焊接件之间的相对距离。

优选地，所述运动控制装置与运动平台连接，通过移动运动平台来控制激光焊接装置的焊接头与待焊接件之间的相对距离。

一种激光玻璃焊接控制方法，包括：

抓取焊接区域的轮廓，生成加工模板；

测量焊接路径不同位置的焦面高度，保存到加工模板中；

设置焊接路径不同位置的激光功率，使相邻位置之间的激光功率在预定范围内线性变化，并保存到加工模板中；

焊接开始，先将运动平台加速到设定速度，然后线性增加激光功率，使得运动平台到达焊接开始位置时，运动平台移动速度及激光功率均达到焊接设定值；

焊接过程中，相邻位置之间，保持运动平台移动速度不变，激光功率线性变化，焦面高度线性变化；

到达焊接结束位置时，先将激光功率线性降低到设定值，关闭激光，然后将运动平台减速至停止。

优选地，在相邻位置之间，插入若干焊接位置，计算每个焊接位置的焦面高度及激光功率，保存到加工模板中。

优选地，依据焦面高度及激光功率在相邻位置之间的线性变化，计算得到插入的若干焊接位置的焦面高度及激光功率，若干焊接位置的焦面高度及激光功率均线性变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过运动平台带动拍摄装置和测距装置移动，通过拍摄装置获取焊接区域的焊接轮廓，通过测距装置测量焊接路径不同位置的焦面高度，通过主控装置生成加工模板并进行加工模板设置，通过激光焊接装置进行激光焊接，通过外光路系统将激光入射到待焊接件上，通过运动控制装置控制运动平台与激光焊接装置焊接头之间的相对距离，保证焊接效果的一致性和稳定性。

(2)本发明首先抓取焊接区域轮廓，生成加工模板，然后测量焊接路径不同位置的焦面高度并保存到加工模板中，设置焊接路径不同位置的激光功率并保存到加工模板中，在焊接开始时，先将放置有待焊接件的运动平台加速到设定速度，然后线性增加激光功率，直到达到焊接设定值，在焊接过程中，保持运动平台移动速度不变，相邻位置之间激光功率线性变化，使得激光能够渐入式地入射到待焊接件上，在焊接结束时，先将激光功率线性降低至设定值再关闭激光，使得激光能够平滑离开待焊接件，避免了玻璃焊接过程中激光功率突然增大或减小带来的重点或裂纹问题；另外，在焊接过程中，焦面高度线性变化，避免了玻璃焊接中焊接焦面位置变化较大导致焊接效果不一致的问题。

(3)本发明在每相邻两个位置之间插入若干焊接位置，获取每个焊接位置的焦面高度及激光功率，且在焊接过程中，保持相邻焊接位置之间的焦面高度及激光功率均线性变化，以进一步降低焦面位置变化对焊接效果的影响。

(4)本发明在玻璃焊接过程中，保持运动平台移动速度不变，避免了玻璃焊接过程中平台移动速度不均匀带来的焊接效果不均匀问题。

附图说明

图1为根据本发明实施例的激光玻璃焊接控制系统的示意图。

图2为根据本发明实施例的激光玻璃焊接的加工路径-平台速度-激光功率之间的关系示意图。

图3为根据本发明实施例的激光玻璃焊接的待焊接件示意图。

图4为根据本发明实施例的激光玻璃焊接控制方法进行焊接时各项参数的变化示意图。

图5为传统焊接方法进行焊接时各项参数的变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种激光玻璃焊接控制系统，如图1所示，包括主控装置、运动控制装置、运动平台、拍摄装置、测距装置、激光焊接装置和外光路系统，所述主控装置与运动控制装置、拍摄装置和测距装置连接，所述运动控制装置与激光焊接装置和运动平台连接，所述运动控制装置用于调节运动平台与激光焊接装置之间的相对距离，所述外光路系统用于将激光入射到待焊接件上，所述待焊接件置于运动平台上。其中，所述运动平台用于带动拍摄装置和测距装置移动，以及用于放置待焊接件；所述拍摄装置，如工业相机，用于获取焊接区域的焊接轮廓；所述测距装置，如测距仪，用于测量焊接路径不同位置的焦面高度；所述主控装置，如主控机，用于生成加工模板并进行加工模板设置；所述激光焊接装置，包括激光器和焊接头，用于进行激光焊接；所述外光路系统将激光入射到待焊接件上；所述运动控制装置根据不同位置的焦面高度，控制运动平台与激光焊接装置焊接头之间的距离，保证焊接效果的一致性和稳定性。

具体地，工控机控制运动平台带动工业相机移动到待加工样品的待焊接位置(一个或多个)，抓取焊接区域的轮廓，自动生成加工模板，解决了同种样品尺寸不一致导致的无法重复生产的问题。

具体地，工控机控制运动平台带动测距仪沿焊接路径移动，测量焊接路径不同位置的焦面高度，并自动保存到加工图形模板中。通过测距仪自动获取焦平面位置，进而自动设置图档中不同位置的焦面数据，有效的减少了操作工作量。

具体地，由于玻璃焊接中焊接焦面位置变化较大导致焊接效果不一致，因此，本发明测量焊接路径上多个位置的焦面高度，使相邻位置之间的焦面高度线性变换，避免焦面高度突变；且通过在相邻位置之间自动插入新的焊接位置并计算新焊接位置的焦面高度，使得相邻焊接位置之间的焦面高度差异更小，进一步降低焦面高度变化带来的焊接效果不一致问题。在焊接过程中，通过控制焊接头与运动平台之间的相对移动，进而控制焊接头与待焊接件焊接位置之间的相对距离，使得对于相邻焊接位置之间线性变化的焦面高度，能通过焊接头与焊接位置之间相对距离的平滑变化来进行焊接加工，避免因焦面位置变化过大导致焊接效果不一致的问题。

作为一种实施方式，所述运动控制装置与激光焊接装置连接，通过移动激光焊接装置来控制焊接头与待焊接件之间的相对距离。待焊接件放置于运动平台上，运动平台保持预设速度移动，同时，在从一个焦面高度的焊接位置过渡到另一个焦面高度的焊接位置时，由于两个焊接位置之间的焦面高度线性变化，所以运动控制装置控制激光焊接装置沿z轴移动，使得焊接头与待焊接件焊接位置之间的相对距离平滑变化，避免因相邻焊接位置之间焦面高度的突变导致的焊接效果不一致问题。

作为一种实施方式，所述运动控制装置与运动平台连接，通过移动运动平台来控制激光焊接装置的焊接头与待焊接件之间的相对距离。激光焊接装置保持不动，即，焊接头保持不动，待焊接件放置于运动平台上，运动平台保持预设速度水平移动，同时，在从一个焦面高度的焊接位置过渡到另一个焦面高度的焊接位置时，由于两个焊接位置之间的焦面高度线性变化，所以运动控制装置控制运动平台沿z轴移动，使得焊接头与待焊接件焊接位置之间的相对距离平滑变化，避免因相邻焊接位置之间焦面高度的突变导致的焊接效果不一致问题。

本发明还提供一种激光玻璃焊接控制方法，包括：

工控机控制运动平台带动工业相机移动到待加工样品的待焊接位置(一个或多个)，抓取焊接区域的轮廓，自动生成加工模板；

工控机控制运动平台带动测距仪沿焊接路径移动，测量焊接路径不同位置的焦面高度，并自动保存到加工图形模板中；

设置焊接路径不同位置的激光功率，使相邻位置之间的激光功率在预定范围内线性变化，并保存到加工模板中；

焊接开始，先将运动平台加速到设定速度，然后增加激光功率，从0或低于焊接功率的某个数值开始增加激光功率，使得运动平台到达焊接开始位置时，运动平台移动速度及激光功率均达到焊接设定值；

焊接过程中，相邻位置之间，保持运动平台移动速度不变，激光功率线性变化，焦面高度线性变化，依据相邻焊接位置之间焦面高度的线性变化，调整焊接头与待焊接件之间的相对距离使其平滑变化，完成所有焊接位置的焊接；

到达焊接结束位置时，先将激光功率平滑降低到设定值，关闭激光，然后将运动平台减速至停止。

具体地，利用本发明方法进行激光玻璃焊接时，其加工路径-平台速度-激光功率之间的关系如图2所示。

作为一种实施方式，在相邻位置之间，插入若干焊接位置，获取每个焊接位置的焦面高度及激光功率，保存到加工模板中。

进一步地，依据焦面高度及激光功率在相邻位置之间的线性变化，计算得到插入的焊接位置的焦面高度及激光功率。

实施例

本实施例提供一种激光玻璃焊接控制系统及方法，如图3所示，所述系统采用20w飞秒激光器为焊接光源，从a点开始焊接，沿轨迹通过b、c、d、e点，然后回到a点，焊接结束。

上下两块待焊接的玻璃经过治具夹紧后，在焊接轨迹的不同位置，焦平面的高度不同，两个焊接面的贴合程度也不相同。

运动平台带动测距仪移动到a点，测量a处焦平面位置为za；依次测量出b、c、d、e处的焦平面位置为zb、zc、zd、ze；在加工图档中将a、b、c、d、e处z轴高度分别设为za、zb、zc、zd、ze；相应其它位置的高度值自动插入，例如ab点在a、b中间，则ab点的高度值设为(za+zb)/2。

在该实例中，治具夹持一致性较好，正式焊接时激光功率保持一致，都为额定功率的40％，该功率可根据实际加工需求来设定；焊接速度设定为5mm/s。

实际焊接轨迹从a0点开始，依次经过a1、a、b、c、d、e、a2，到a3点结束；

其中，a0a1＝5mm；a1a＝5mm；aa2＝5；a2a3＝5mm。

详细焊接过程如下：

(1)平台带动焊接头移动到a0点，z轴高度为za；

(2)平台由a0点开始加速移动到a1，达到a1点前，速度已经达到5mm/s；

(3)运动控制器检测到平台移动到a1时，控制激光器功率为10％。并且从a1点到a点的过程中，平台运动速度保持5mm/s不变，运动控制器根据平台位置，增加激光功率，达到a点时功率达到设定值；在焊接过程中，设定激光功率在额定功率35％至45％之间线性变化；

(4)平台由a移动到b的过程中，激光功率在额定功率35％至45％之间线性变化，平台运动速度保持5mm/s不变，z轴高度由za线性变化到zb；

(5)其它b->c->d->e-a的过程重复步骤(4)；

(6)达到a点后，由a到a2的过程中，平台运动速度保持5mm/s不变，运动控制器根据平台位置，逐步减小激光功率，达到a2点时功率达到10％；

(7)达到a2点后，运动控制器关闭激光，然后控制平台运动到a3停止(或继续下一段焊接)。

通过上述过程焊接，设置合适的焊接参数，可以确保焊接轨迹均匀，起始结束位置没有重点，取的较好的焊接效果；在加工过程中，加工路径、平台速度、激光功率、焦面位置(z轴高度)各项参数的变化情况如图4所示。

而采用传统的玻璃焊接控制系统和方法，由于平台运动的控制、激光器功率的控制、焦平面高度的控制相互独立，达到a、b、c、d、e中的每一个点后都需要运动先停止然后在设置激光功率和焦面高度，导致每一个起始/结束点都会有停顿重点。而且各焊接位置的焦面高度及激光功率均无法调整，导致各段焊接一致性也较差，如图5所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。