CZ35525U1

CZ35525U1 - A welding head adapted to sweep a laser beam and an assembly comprising the welding heads

Info

Publication number: CZ35525U1
Application number: CZ202139249U
Authority: CZ
Inventors: Libor Mrňa; Mrňa Libor doc. RNDr., Ph.D.; Petr Horník; Petr Ing. Horník; Hana Šebestová; Šebestová Hana Ing. Mgr., Ph.D.; Jan Novotný; Jan Ing. Novotný; Petr Jedlička; Jedlička Petr Ing., Ph.D.
Original assignee: Ústav Přístrojové Techniky Av Čr, V.V.I.
Priority date: 2021-10-09
Filing date: 2021-10-09
Publication date: 2021-11-09

Description

Svařovací hlava uzpůsobená pro rozmítání laserového svazku a sestava obsahující tuto svařovací hlavuA welding head adapted to sweep a laser beam and an assembly comprising the welding head

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká svařovací hlavy uzpůsobené pro rozmítání laserového svazku a opatřené monitorovacím systémem a dále se týká sestavy obsahující tuto svařovací hlavu.The technical solution relates to a welding head adapted to sweep a laser beam and provided with a monitoring system, and further relates to an assembly comprising this welding head.

Dosavadní stav technikyState of the art

V dnešní době se jako jedna z variant technologie laserového svařování používá svařování s rozmítáním svazku. Principem této metody je přidání rozmítací křivky ke svařovací trajektorii. Volbou parametrů rozmítání pak lze ovlivňovat distribuci energie z laserového svazku do svařovaného materiálu a tím i geometrii a případně i mikrostrukturu svarové housenky. Jako rozmítací křivka se typicky používá kružnice, přímka a složitější křivky (z množiny Lissajousových obrazců). Rozmítaný svazek je v rámci této technologie definován třemi parametry:Today, beam sweeping is used as one of the variants of laser welding technology. The principle of this method is to add a sweep curve to the welding trajectory. By choosing the sweeping parameters, it is then possible to influence the distribution of energy from the laser beam into the welded material and thus also the geometry and possibly also the microstructure of the welding bead. Circles, lines, and more complex curves (from the set of Lissajous shapes) are typically used as the sweep curve. Within this technology, the scattered beam is defined by three parameters:

- tvarem rozmítací křivky;- the shape of the sweeping curve;

- frekvencí rozmítání / periodou rozmítání;- sweeping frequency / sweeping period;

- amplitudou rozmítání.- sweep amplitude.

Skládáním rozmítací křivky s pohybem svařovací hlavy po svařované trajektorii vzniká netriviální křivka. Vzhledem k vysoké rychlosti rozmítání, nízké svařovací rychlosti a vlivem šíření tepla v materiálu je tvar svarové housenky definován nikoliv výše uvedenou netriviální křivkou, ale pouze svarovou trajektorií. Rozmítáním svazku však dochází ke zvětšení šířky svaru a změně geometrie průřezu svaru a také ke změnám mikrostruktury svaru (oproti svaru vzniklému bez rozmítání).By folding the sweeping curve with the movement of the welding head along the welded trajectory, a non-trivial curve is created. Due to the high sweeping speed, the low welding speed and the influence of heat propagation in the material, the shape of the welding bead is defined not by the above-mentioned non-trivial curve, but only by the welding trajectory. However, sweeping the beam increases the width of the weld and changes the geometry of the weld cross-section, as well as changes in the microstructure of the weld (compared to a weld created without sweeping).

Při hromadné výrobě se zavedeným systémem řízení kvality je nutné dokladovat, že i v případě výše popsané technologie laserového svařování s rozmítáním svazku proběhlo svaření vyráběného dílu korektně a neodchýlilo se od referenčního svaru s prokázanou kvalitou. Pro tento účel slouží monitory svařovacího procesu, které dokážou během svařování dané součástky určit, zda proces probíhá korektně dle nastavených kritérií. Pro technologii laserového svařování s rozmítáním svazku však doposud tato možnost neexistuje.In mass production with an established quality management system, it is necessary to prove that even in the case of the above-described laser welding technology with beam sweeping, the manufactured part was welded correctly and did not deviate from the reference weld with proven quality. For this purpose, monitors of the welding process are used, which can determine during welding of the component whether the process is running correctly according to the set criteria. However, this option does not yet exist for beam sweeping laser welding technology.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Nedostatky dosavadního stavu techniky jsou do značné míry eliminovány svařovací hlavou uzpůsobenou pro rozmítání laserového svazku a obsahující:The shortcomings of the prior art are largely eliminated by a welding head adapted to sweep the laser beam and comprising:

- vstup pro propojení se zdrojem pro vysílání laserového svazku;- an input for connection to a source for transmitting a laser beam;

- základní galvoskenerovou jednotku uspořádanou v dráze laserového svazku přiváděného ze vstupu a pohyblivou pro jeho přeměnu na rozmítaný svazek;- a basic galvanic scanner unit arranged in the path of the laser beam fed from the input and movable for its conversion into a swept beam;

- řídicí jednotku signálově propojenou se základní galvoskenerovou jednotkou pro řízení jejího pohybu;- a control unit signal-connected to the basic galvanic scanner unit for controlling its movement;

- polopropustné zrcadlo uspořádané v dráze rozmítaného svazku;- a semi-transparent mirror arranged in the path of the swept beam;

- první fokusační čočku, uspořádanou v dráze rozmítaného svazku po jeho odrazu od polopropustného zrcadla; a- a first focusing lens arranged in the path of the swept beam after its reflection from the semipermeable mirror; and

- 1 CZ 35525 UI- 1 CZ 35525 UI

- detekční jednotku, která je uspořádána pro snímání zpětně odraženého optického záření od pracovní oblasti svařovaného dílce, tedy optického záření vznikajícího zpětným odrazem rozmítaného svazku, který prošel první fokusační čočkou a dopadl na svařovaný dílec.- a detection unit which is arranged to sense the backscattered optical radiation from the working area of the welded part, i.e. the optical radiation generated by the backscatter of the swept beam, which has passed through the first focusing lens and landed on the welded part.

Svařovací hlava přednostně obsahuje vyhodnocovací jednotku, která je signálově propojená s detekční jednotkou a s řídicí jednotkou. Řídicí jednotka je přitom s výhodou uzpůsobena pro vysílání synchronizačních signálů do vyhodnocovací jednotky za účelem synchronizace signálu reprezentujícího pohyb galvoskenerové jednotky a signálu z detekční jednotky tak, aby mohla vyhodnocovací jednotka vyhodnocovat signál z detekční jednotky v periodách definovaných řídicí jednotkou a provádět jejich porovnávání s nastavenou referenční hodnotou a/nebo s hodnotami z předchozích period.The welding head preferably comprises an evaluation unit which is signal-connected to the detection unit and the control unit. The control unit is preferably adapted to send synchronization signals to the evaluation unit in order to synchronize the signal representing the movement of the galvanic scanner unit and the signal from the detection unit so that the evaluation unit can evaluate the signal from the detection unit at periods defined by the control unit and compare them with the set reference. value and / or with values from previous periods.

Detekční jednotka je s výhodou fotodioda, nebo vysokorychlostní kamera.The detection unit is preferably a photodiode or a high speed camera.

Zvlášť výhodné provedení technického řešení obsahuje doplňkovou galvoskenerovou jednotku, která je pro řízení jejího pohybu propojená s řídicí jednotkou a která je uspořádaná v dráze laserového svazku mezi zdrojem laserového záření a základní galvoskenerovou jednotkou pro rozmítání laserového svazku přiváděného ze zdroje laserového záření na základní galvoskenerovou jednotku.A particularly advantageous embodiment of the technical solution comprises an additional galvanic scanner unit which is connected to the control unit for controlling its movement and which is arranged in the laser beam path between the laser source and the basic galvanic scanner unit.

Svařovací hlava s výhodou obsahuje:The welding head preferably comprises:

- optický pásmový filtr uspořádaný v dráze zpětně odraženého optického záření od pracovní oblasti svařovaného dílce mezi polopropustným zrcadlem a detekční jednotkou a/nebo- an optical bandpass filter arranged in the path of the backscattered optical radiation from the working area of the welded part between the semipermeable mirror and the detection unit and / or

- útlumový člen uspořádaný v dráze zpětně odraženého optického záření od pracovní oblasti svařovaného dílce mezi polopropustným zrcadlem a detekční jednotkou.- an attenuation member arranged in the path of the backscattered optical radiation from the working area of the welded part between the semipermeable mirror and the detection unit.

Svařovací hlava dále s výhodou obsahuje druhou fokusační čočku uspořádanou v dráze zpětně odraženého optického záření od pracovní oblasti svařovaného dílce mezi polopropustným zrcadlem a detekční jednotkou.The welding head further preferably comprises a second focusing lens arranged in the path of the backscattered optical radiation from the working area of the welded part between the semipermeable mirror and the detection unit.

Svařovací hlava je s výhodou opatřena alespoň jedním doplňkovým snímačem pro snímání parametrů vzniklého svaru, který je propojený s vyhodnocovací jednotkou. Doplňkovým snímačem je přednostně bodový pyrometr a/nebo snímač geometrie svarové housenky.The welding head is preferably provided with at least one additional sensor for sensing the parameters of the resulting weld, which is connected to the evaluation unit. The additional sensor is preferably a point pyrometer and / or a weld bead geometry sensor.

Nevýhody dosavadního stavu techniky jsou rovněž eliminovány sestavou pro svařování rozmítáním laserového svazku, přičemž tato sestava obsahuje zdroj laserového záření a výše uvedenou svařovací hlavu, přičemž zdroj laserového záření je svým výstupem propojen se vstupem svařovací hlavy.The disadvantages of the prior art are also eliminated by the laser beam sweep assembly, which assembly comprises a laser radiation source and the above-mentioned welding head, the laser radiation source being connected to the input of the welding head by its output.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení je dále popsáno pomocí příkladného provedení, které je schematicky znázorněno na výkrese, kde Obr. 1 je schéma svařovací hlavy a monitorovacího systému pro technologii laserového svařování s rozmítáním svazku.The technical solution is further described by means of an exemplary embodiment, which is schematically shown in the drawing, where FIG. 1 is a diagram of a welding head and monitoring system for beam sweeping laser welding technology.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Sestava schematicky znázorněná na obr. 1 zahrnuje svařovací hlavu a zdroj 20 laserového záření, kterým je výkonový laser a který vysílá laserový svazek 1 na doplňkovou galvoskenerovouThe assembly schematically shown in Fig. 1 comprises a welding head and a laser radiation source 20, which is a power laser and which emits the laser beam 1 to an additional galvanic scanner.

-2 CZ 35525 UI jednotku 2, která odráží, a přitom rozmítá laserový svazek 1 na základní galvoskenerovou jednotku 3, která odráží, a přitom rozmítá laserový svazek 1 na polopropustné zrcadlo 4.-2 CZ 35525 UI unit 2 which reflects and scatters the laser beam 1 onto the basic galvanic scanner unit 3, which reflects and scatters the laser beam 1 onto the semipermeable mirror 4.

Galvoskenerové jednotky 2, 3 jsou pohyblivá zrcadla pro vychylování laserového svazku 1 a jsou propojené s řídicí jednotkou 5 pro řízení jejich pohybu. Řídicí jednotka 5 řídí pohyb galvoskenerových jednotek 2, 3 pro zajištění generování potřebných rozmítacích křivek, po kterých se pohybuje laserový svazek 1 ve svařované oblasti, a součinnost s dalšími prvky svařovací soustavy (např. s robotickým ramenem, zajišťujícím pohyb svařovací hlavy po svařovací trajektorii apod.).The galvanic scanner units 2, 3 are movable mirrors for deflecting the laser beam 1 and are connected to a control unit 5 for controlling their movement. The control unit 5 controls the movement of the galvanic scanner units 2, 3 to ensure the generation of the necessary sweeping curves along which the laser beam 1 moves in the welded area and the interaction with other welding system elements (e.g. a robotic arm .).

Polopropustné zrcadlo 4 je uspořádané pro směřování rozmítaného svazku 7 skrz první fokusační čočku 6 na svařovaný dílec 8.The semipermeable mirror 4 is arranged to direct the swept beam 7 through the first focusing lens 6 onto the welded part 8.

Příkladné provedení technického řešení dále zahrnuje optický pásmový filtr 10 pro vymezení pracovního optického pásma pro detekční systém, přičemž za optickým pásmovým filtrem 10 (z hlediska směru průchodu zpětně odraženého optického záření 9) je v tomto příkladném provedení zařazen útlumový člen 11 pro omezení intenzity procházejícího zpětně odraženého optického záření 9 na úroveň, vhodnou pro detekční jednotku 13. který brání jejímu poškození vysokou intenzitou záření, případně snižuje intenzitu zpětně odraženého záření pod úroveň saturace konkrétní typu detekční jednotky 13.An exemplary embodiment of the technical solution further comprises an optical bandpass filter 10 for defining a working optical band for the detection system, wherein in this exemplary embodiment a damping member 11 for limiting the intensity passing back of the reflected optical radiation 9 to a level suitable for the detection unit 13, which prevents its damage by high radiation intensity, or reduces the intensity of the backscattered radiation below the saturation level of a particular type of detection unit 13.

Optický pásmový filtr JO je uzpůsoben pro propouštění záření o pracovní vlnové délce zdroje 20 laserového záření.The optical bandpass filter JO is adapted to transmit radiation of the working wavelength of the laser radiation source 20.

Dále toto technické řešení obsahuje druhou fokusační čočku 12 pro zaostřování zpětně odraženého záření 9 na detekční jednotku 13. Detekční jednotka 13 může být například ve formě bodové fotodiody nebo černobílé kamery, přičemž jak fotodioda, tak kamera, musí být dostatečně citlivé pro snímanou oblast vlnových délek, již definuje filtr 10.Furthermore, this technical solution comprises a second focusing lens 12 for focusing the backscattered radiation 9 on the detection unit 13. The detection unit 13 can be in the form of a spot photodiode or a black and white camera, for example both the photodiode and the camera must be sufficiently sensitive for , already defines filter 10.

Technické řešení obsahuje i vyhodnocovací elektronickou jednotku 14, určenou pro přijetí signálu z detekční jednotky 13. Vyhodnocovací elektronická jednotka 14 je propojená s řídicí jednotkou 5 pro příjem synchronizačního signálu z řídicí elektronické jednotky 5.The technical solution also includes an evaluation electronic unit 14, intended for receiving a signal from the detection unit 13. The evaluation electronic unit 14 is connected to the control unit 5 for receiving a synchronization signal from the control electronic unit 5.

Alternativně jsou řídicí jednotka 5 a vyhodnocovací jednotka 14 navzájem propojeny přes elektronický blok pro vysílání synchronizačního signálu.Alternatively, the control unit 5 and the evaluation unit 14 are interconnected via an electronic block for transmitting a synchronization signal.

Ve znázorněném příkladném provedení technické řešení obsahuje doplňkové snímače 15, kterými jsou bodový pyrometr a snímač převýšení svarové housenky a které jsou propojené s vyhodnocovací elektronickou jednotkou 14. Snímač převýšení svarové housenky může být snímač pracující na trigonometrickém optickém principu nebo snímač pracující na principu optické koherentní tomografie. Takovéto snímače obsahují vždy detekční blok a vyhodnocovací blok.In the exemplary embodiment shown, the technical solution comprises additional sensors 15, which are a point pyrometer and a weld bead cantilever sensor and which are connected to an evaluation electronic unit 14. The weld bead cantilever sensor can be a trigonometric optical sensor or an optical coherent tomography sensor. . Such sensors always contain a detection block and an evaluation block.

Funkci zařízení lze popsat následovně: Zdroj 20 laserového záření generuje laserový svazek 1, který je přiváděn na doplňkovou galvoskenerovou jednotku 2 a je průběžně postupně vychylován oběma galvoskenerovými jednotkami 2 a 3 pro dosažení požadovaného rozmítání. Takto rozmítaný laserový svazek 7 se odráží od polopropustného zrcadla 4, které jej směřuje skrz první fokusační čočku 6 na svařovaný dílec 8.The function of the device can be described as follows: The laser radiation source 20 generates a laser beam 1, which is fed to the auxiliary galvanic scanner unit 2 and is continuously deflected by both galvanic scanner units 2 and 3 to achieve the desired sweeping. The laser beam 7 thus swept is reflected from the semipermeable mirror 4, which directs it through the first focusing lens 6 to the welded part 8.

Zpětně odražené záření 9 z místa svařovacího procesu prochází zpět první fokusační čočkou 6, dále skrz polopropustné zrcadlo 4, poté skrz pásmový optický filtr 10, následně skrz útlumový člen 11 a poté skrz druhou fokusační čočku 12, načež dopadá na detekční jednotku 13.The backscattered radiation 9 from the welding process site passes back through the first focusing lens 6, further through the semipermeable mirror 4, then through the band optical filter 10, then through the attenuator 11 and then through the second focusing lens 12, after which it impinges on the detection unit 13.

Signál z detekční jednotky 13 je následně přiveden do vyhodnocovací elektronické jednotky 14. Současně je do vyhodnocovací elektronické jednotky 14 přiváděn synchronizační signál z řídicí jednotky 5 a případně signály z doplňkových snímačů 15.The signal from the detection unit 13 is then fed to the evaluation electronic unit 14. At the same time, a synchronization signal from the control unit 5 and possibly signals from the additional sensors 15 are fed to the evaluation electronic unit 14.

-3 CZ 35525 UI-3 CZ 35525 UI

Princip vyhodnocování signálu z detekční jednotky 13 je takový, že synchronizační signál z řídicí jednotky 5 definuje rozmítací periodu, při které laserový sazek 1 vykoná jeden celý cyklus rozmítání - tedy dokončí oběh po definované rozmítací křivce. Od tohoto synchronizačního signálu se ve vyhodnocovací elektronice monitorovacího systému odvozuje délka měřícího cyklu.The principle of evaluating the signal from the detection unit 13 is such that the synchronization signal from the control unit 5 defines the sweeping period during which the laser set 1 performs one complete sweeping cycle - i.e. completes the cycle along the defined sweep curve. The length of the measuring cycle is derived from this synchronization signal in the evaluation electronics of the monitoring system.

Pokud je detekční jednotkou 13 bodová fotodioda, dochází k záznamu signálu a jeho případné integraci za dobu jednoho měřicího cyklu. Získaná data pro jednotlivé měřicí cykly jsou porovnávána buď s externě nastavenou referenční hodnotou a při odchylce o nastavenou hodnotu se generuje výstupní signál upozorňující na tuto skutečnost. Přídavně nebo alternativně se hodnota porovnává s klouzavým průměrem dat získaných z předešlých měřicích cyklů. Opět jsou stanoveny meze, při jejichž překročení se generuje signál o překročení.If the detection unit is a 13-point photodiode, the signal is recorded and possibly integrated over the course of one measuring cycle. The obtained data for individual measuring cycles are compared either with an externally set reference value and in the event of a deviation by the set value, an output signal is generated indicating this fact. Additionally or alternatively, the value is compared with a moving average of data obtained from previous measurement cycles. Again, the limits are set, above which an exceedance signal is generated.

Pokud je detekční jednotkou 13 plošný detektor, tedy kamera, je synchronizační signál využit pro časování kamery tak, aby 1 až n snímků v jedné rozmítací periodě zobrazovalo vždy záběr svarové lázně ve stejné poloze vzhledem k rozmítací křivce. Pro vyhodnocování se využijí algoritmy na zpracování obrazu, např. lze porovnávat velikost svarové lázně a rozložení intenzity v ploše snímků svarové lázně apod. Takto vyhodnocené obrazy svarové lázně lze pak v rámci monitorování porovnávat ve snímcích získaných v průběhu jedné rozmítací periody, nebo lze porovnávat snímky stejné polohy vzhledem k rozmítací křivce v následujících periodách. Výstupem je opět signál, aktivní vždy, když vyhodnocovaný parametr obrazu překročil nastavené meze.If the detection unit 13 is a surface detector, i.e. a camera, the synchronization signal is used to time the camera so that 1 to n frames in one sweeping period always show the engagement of the weld pool in the same position with respect to the sweep curve. Image processing algorithms are used for evaluation, eg the size of the weld pool and the intensity distribution in the area of the weld pool images can be compared. the same position with respect to the sweep curve in subsequent periods. The output is again a signal, active whenever the evaluated image parameter has exceeded the set limits.

V alternativním provedení lze použít pouze jednu galvoskenerovou jednotku 2,3, pokud umožňuje generování požadované křivky pohybu rozmítaného laserového svazku.In an alternative embodiment, only one galvanic scanner unit 2,3 can be used, as long as it allows the generation of the desired sweeping laser beam curve.

V dalším alternativním provedení lze vynechat samostatný filtr 10 a samostatný útlumový člen 11 a místo nich použít kombinovanou filtrační a útlumovou jednotku.In another alternative embodiment, a separate filter 10 and a separate attenuator 11 can be omitted and a combined filter and attenuation unit used instead.

Ačkoli byla popsána zvlášť výhodná příkladná provedení, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených nároků na ochranu.Although particularly preferred exemplary embodiments have been described, it will be apparent to those skilled in the art that other possible alternatives to these embodiments will be readily apparent. Therefore, the scope of protection is not limited to these exemplary embodiments, but rather is defined by the appended protection claims.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

A welding head adapted to sweep a laser beam (1), characterized in that it comprises:

- an input for connection to a laser radiation source (20) for transmitting a laser beam (1);

- a basic galvanic scanner unit (3) arranged in the path of the laser beam (1) fed from the input and movable for its conversion into a swept beam (7);

- a control unit (5) signal-connected to the basic galvanic scanner unit (3) for controlling its movement;

- a semipermeable mirror (4) arranged in the path of the swept beam (7);

- a first focusing lens (6) arranged in the path of the swept beam (7) after its reflection from the semipermeable mirror (4); and

- a detection unit (13) which is arranged to sense the backscattered optical radiation (9) from the working area of the welded part (8).

Welding head according to Claim 1, characterized in that it comprises an evaluation unit (14) which is signal-connected to the detection unit (13) and to the control unit (5).

Welding head according to claim 2, characterized in that the control unit (5) is adapted to send synchronization signals to the evaluation unit (14).

The welding head according to any one of the claims, the unit (13) is a photodiode.

1 to 3, characterized in that the detection

Welding head according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the detection unit (13) is a high-speed camera.

Welding head according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises an additional galvanic scanner unit (2) which is connected to the control unit (5) to control its movement and which is arranged in the path of the laser beam (1) between a laser radiation source (20) and a basic galvanic scanner unit (3) for sweeping the laser beam (1) fed from the laser radiation source (20) to the basic galvanic scanner unit (3).

Welding head according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises an optical bandpass filter (10) arranged in the path of the backscattered optical radiation (9) from the working area of the welded part (8) between the semipermeable mirror (4) and the detection unit (13).

Welding head according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises an attenuation member (11) arranged in the path of the backscattered optical radiation (9) from the working area of the welded part (8) between the semipermeable mirror (4) and the detection unit (13).

Welding head according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises a second focusing lens (12) arranged in the path of the backscattered optical radiation (9) from the working area of the welded part (8) between the semipermeable mirror (4) and the detection lens. unit (13).

Welding head according to one of Claims 2 to 9, characterized in that it comprises at least one additional sensor (15) for sensing the parameters of the resulting weld, which is connected to the evaluation unit (14).

CZ 35525 UI

Welding head according to Claim 10, characterized in that the additional sensor (15) is a point pyrometer and / or the additional sensor (15) is a weld bead geometry sensor.

A welding assembly comprising a laser radiation source (20), further comprising a welding head according to any one of the preceding claims, wherein the laser radiation source (20) is connected to the welding head input by its output.