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新型激光焊接实时监控系统

时间:2015/5/21 17:25:38

鑫海恒激光焊接

在工业中,激光技术的使用飞快增长,激光加工占金属加工年度总收入的74%,随着市场需求的不断增加,超过了过去一年7%。汽车、金属转化或增材制造是激光加工在工业领域应用的例子,并被广泛使用。由于激光加工过程参数不确定,实时(RT)监控是激光加工研究的一个重大课题。

激光加工过程中造成产品缺陷的主要原因是热动力学、温度和热循环,因为它们决定材料不希望的脆性相和残余应力,这些影响可能会使构件的力学行为受损,导致产品加工失败。热分布和熔池(激光熔覆)的几何尺寸或小孔(激光焊接)是其监测的关键参数,通过控制这些参数来确保激光加工的产品质量。
基于激光的设备实现将灵活性、生产率、精度和零缺陷生产结合,这是一项重大挑战。为了提高产品质量,增加生产产量,基于激光加工过程需要新的在线实时监控系统,新的激光源和加工头正向增强通用性和复杂性演变,允许修改不同过程参数,如激光调制、自适应聚焦等。实现全自动化和零缺陷制造过程的新方法将需要智能焊接头,该智能焊接头将激光器、光学器件、执行器、传感器和电子器件集成在一个紧凑而经济的设备上,该设备的最终目的能够处理:
1、不断增加的过程复杂性
2、不断增加的精度和可靠性要求
3、不断增加的自治、重构和自诊断要求
新红外传感器的发展有助于将零缺陷概念引用到工业激光制造过程中。
低成本高速红外成像传感器
激光制造过程产生的许多缺陷来自激光加工动力学不稳定,当明确需求,满足新一代监控系统应用于激光制造过程中,温度和时间响应是要考虑的关键参数。
在激光切割过程中,熔化的材料液滴必须从切缝喷出,以避免渣和积渣,它的形成和分离所需要的时间要小于0.5ms。就激光焊接过程而言,孔内扰动会产生焊缝小孔,扰动的振荡时间要小于0.7ms。镀层、修复或增材激光制造使用了激光熔覆技术,在无控激光熔覆过程中熔池尺寸变化1%的时间要小于200ms。使用选区激光熔化(SLM)技术进行增材激光制造,它所需要的时间为0.13ms,用于改变激光聚焦位置,变化的距离等于聚焦半径,所以在这段时间内发生的任何扰动将会导致缺乏精确性或在最后部分产生气孔。在增材制造过程中,孔隙、空隙、松散粉末的形成和未熔透很依赖温度变化过程,如冷却和加热速率,它对加工过程的关键部分影响很大。
监测系统的采样频率必须是扰动现象造成缺陷频率的两倍,因此,为监测大多数激光制造过程,采样频率需要高达10kHz。现今,基于激光加工过程的大多数工业监测系统使用基于硅的相机(VIS-VNIR),将相机耦合到标准的基于单点红外探测器的非接触式温度系统,对焊缝区进行实时的温度测量。这些类型的系统提供的信息不充分,是平均、空间和时间的结果,采集的红外信号仅用了一个传感器,失去了温度分布和热动力学的相关信息,更重要的问题是涉及到目标运动或聚焦距离,会经常出现错误(即不可用)的测量结果。
基于高速红外成像传感器的解决方案能够同时提供热动力学信息和空间分布信息,然而,高灵敏度红外传感器历来与高成本挂钩,通常超出行业标准范围。而低成本红外技术如微测辐射热计或热释电器件在响应速度方面不能满足要求,另一方面,量子红外探测器的响应速度是足够快,但由于其复杂性和技术成本,在过去这一行业中,它们的使用受到限制。幸运的是,今天红外技术的发展和低成本高速红外成像传感器已成现实。最近新红外技术(NIT)公司已经使第一量子中波红外成像传感器商业化,该传感器单片集成Si-CMOSROIC,提供的图像分辨率低,非制冷运行时的帧速为10kHz,与传统点探测器的成本相同。该技术可以被认为是突破性的技术,满足市场发展研究所预见的需求,该研究针对激光加工,如增材制造、焊接和镀层。
激光焊接过程
激光焊接技术被广泛应用在大的产业,如汽车、金属加工、航空航天等。激光焊接技术有望替代传统焊接技术是当今的趋势。就效率、可重复性和维护而言,激光焊接技术相比于其他焊接技术的优势是明显的。然而,激光焊接也有一些缺点,可能出现焊接缺陷,如洞穴、气孔、未焊透和飞溅,这根本原因大多与连接过程中所涉及的复杂机制有关。为了避免这些缺陷,需要对激光焊接过程进行正确的参数化,如激光功率、焊接速度、焦距、保护气体流和横向位置,通过控制这些参数可以获得更好的焊接质量。像激光光斑的几何形状、表面清洁时的光和物质之间相互作用问题、材料质量与材料组成以及接触面积,这些参数也都直接影响焊接质量。因此,需要更好的、改进的控制系统,该系统要统筹考虑动力(原因)和焊接区产生的热动力学及空间分布(影响)问题。

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