Лазерный мир

Т. Баутц, М.Когель-Холлакер, Precitec // Журнал Фотоника, 4/2015, с:56-66

Датчик для измерения глубины проплавления непосредственно в процессе сварки, разработанный компанией Precitec, позволяет повысить качество сварного шва. В статье обсуждается процесс лазерной сварки, особенности формирования канала проплавления, сварного шва, а также о глубине канала.

Компания Precitec разработала датчик[1] для измерения глубины проплавления непосредственно в процессе сварки. Процесс измерения основан на низкокогерентной интерферометрии. С использованием данной методики становится возможным с высокой надежностью получать результаты измерений, несмотря на интенсивное испарение металла в процессе сварки. Система опробована и позволяет получать результаты, которые ожидались в данной отрасли в течение десятилетий.

Являясь ведущим производителем модулей для лазерной обработки поверхностей и бесконтактных измерительных систем, фирма Precitec предоставляет возможность поставки решений, легко интегрируемых в оптическую систему заказчика. Продукция Precitec славится своими компактными габаритами, она доказала применимость для сотен приложений.

Существенной причиной значительного расширения использования лазерной техники в различных областях промышленного производства является ее эффективность в сравнении с конкурирующими технологиями. Другая причина – уникальные особенности лазерного луча как самостоятельного рабочего инструмента. Для получения пользы от этого инструмента, необходимо контролировать производственный процесс с высокой степенью автоматизации. Мониторинг процесса лазерной сварки не является проблемой, однако управление процессом представляет собой непростую задачу из-за влияния на результат обработки изделия множества входных параметров. Поскольку только непрерывный контроль производственного процесса может гарантировать высокое качество получаемых изделий, системы производственного мониторинга становятся все более и более стандартизованными. Не существует никаких сомнений, что для надежного онлайн мониторинга процесса сварки необходимо измерять множество параметров, которые несут в себе информацию о состоянии области взаимодействия излучения с веществом и/или близлежащих областей.

Одним из наиболее важных параметров, который необходимо измерять для оценки прочности сварного шва по отношению к механической нагрузке и давлению, является глубина канала проплавления. Существуют многочисленные подходы, касающиеся исследования зависимости глубины канала и измеряемого сигнала. Эти подходы широко обсуждались в научно-исследовательских группах, и некоторые из них нашли отражение в промышленных приложениях. Их общей чертой является необходимость в базовом понимании процесса взаимодействия излучения с материалом для установления зависимости между сигналом и качеством шва. Данные методы позволяют получить информацию об оценке глубины канала, а не просто информацию о ее точной величине.

Датчик производства Precitec позволяет проводить точные измерения глубины проплавления. Далее в статье будет представлена информация об упомянутой технологии и ее применении на практике.

Результаты испытаний в лаборатории и на производстве

Принцип измерения разработанного датчика позволяет пользователю получать информацию о расстоянии до поверхности любого вида с высоким осевым и поперечным разрешением. Результат измерения не зависит от параметров процесса. Измерение глубины сварки возможно для любого процесса, пока существует канал проплавления. Тем не менее, свойства канала могут оказывать воздействие на качество измерений. Поэтому разработанный датчик был протестирован в различных условиях для определения степени его функциональности. В проведенных экспериментах глубина сварки достигала 9 мм, а ее скорость 20 м/мин.

Типичным примером является сваривание внахлест неокрашенных металлических листов. Лист оцинкованной стали марки H340LAD и боросодержащей стали марки 22MnB5, оба с толщиной 1,5 мм, разделенные зазором в 0,1–0,2 мм, сваривались со скоростью 3 м/мин с помощью волоконного лазера. Для вариации глубины проплавления производилась модуляция мощности лазера от 400 Вт до 2800 Вт. Сигнал имел пилообразную форму и частоту порядка 1,5 Гц. На рис.1 показаны три фотографии с профилями поверхностей металлических листов, а выше приведены соответствующие участки графика, полученного в режиме реального времени с датчика.

Таким образом, сигнал с датчика может быть использован для точного определения свойств процесса сварки; в случае значений, близких или ниже величины в 1,7 мм, в нижней заготовке не наблюдается проплавления. Значения от 1,7 мм до 3,1 мм свидетельствуют о проплавлении нижней заготовки, в то время как значения более 3,1 мм говорят о полном проплавлении образцов. Индикатором сквозного проплавления служит уменьшение коэффициента отражения излучения от нижней границы канала. На рис.2 показано совмещение отфильтрованного сигнала с датчика и продольного сечения шва низкоуглеродистой стали толщиной 5 мм.

Во время эксперимента модуляцию мощности лазера осуществляли с помощью сигнала синусоидальной формы. Небольшая разница между измеренной глубиной проплавления и поперченым сечением обусловлена расхождением между фактическим центром сварного шва и полученным сечением. Стоит отметить, что при малой глубине канал проплавления исчезает, при этом сигнал с датчика становится прерывистым. При микросварке канал проплавления отсутствует, соответственно глубина сварки не измеряется. Таким образом, датчик может быть использован только при наличии канала проплавления. В комбинации с системой мониторинга лазерной сварки существует возможность выявить небольшие отклонения от референсной глубины. Сигнал с датчика также может быть полезен для установки профиля мощности лазера в случае с варьированием таких параметров, как скорость сварки, свойства материала или изменение фокусного расстояния. Анализируя сигнал с датчика, можно вносить изменения в программу с целью получения постоянной глубины проплавления. Таким образом, пользователь получает систему обратной связи с возможностью контроля глубины сварки. Для того, чтобы доказать достоверность измерений, в Штутгардском университете были проведены испытания с одновременным получением сигнала с датчика и рентгеновских снимков. Для проведения испытаний были подготовлены передние части заготовок с толщиной в несколько миллиметров для возможности получения рентгеновских изображений. Результат испытаний состоял в получении сигналов с датчика глубины проплавления вместе с высокоскоростной видеосъемкой боковой стороны канала проплавления. Анализ съемки не только позволял выявить глубину канала, но также и флуктуации его длины, ширины и формы. На рис.3 проиллюстрирована структура сигнала с датчика и рентгеновский снимок, полученный в режиме реального времени.

Нижнюю границу канала проплавления трудно отличить от остальной части заготовки. Из-за минимального диаметра нижней границы канала контраст рентгеновского изображения достигает своего минимума. Несомненно, системы мониторинга процесса сварки, включающие датчик глубины проплавления, являются полезными составляющими в производстве, где параметры процесса сварки являются заданными величинами. На рис.4 приведено изображение сигнала с датчика для процесса сварки оцинкованной неокрашенной стали.

Процесс (а) проводился с высокими флуктуациями лазерной мощности на поверхности заготовки вследствие поглощения и рассеяния излучения на парах металла. Вследствие этого происходило изменение глубины канала, что влекло за собой ухудшение качества шва. Данные явления легко увидеть исходя из сигнала с датчика. Процесс (b) проводился с оптимизированными параметрами, что позволило получить стабильный уровень глубины проплавления. Кратковременные отклонения величины глубины проплавления от оптимального значения, зафиксированные дважды, могут теперь быть отслежены с помощью улучшенной системы мониторинга.

Область применения датчика глубины проплавления имеет широкие границы. Он может быть использован в качестве инструмента для понимания и оптимизации процеса сварки. После настройки параметров процесса сварки оптимальным образом датчик может использоваться для отслеживания глубины проплавления с высокой точностью, недоступной ранее.

Автоматический контроль за ходом технологического процесса

Принцип мониторинга за процессом сварки в режиме реального времени основывается на сборе информации о показателях, описывающих текущее состояние поверхности в зоне взаимодействия излучения с материалом и близлежащей области.

Единичный индикатор применим для мониторинга в случае, если он позволяет фиксировать значительные изменения показателей производственного процесса и соответственно качества продукции на выходе. Стоит отметить, что системы мониторинга должны работать бесконтактно, т. е. без какого-либо влияния на зону сварки. Это требование, как правило, не является проблемой в сфере лазерной обработки материалов, так как данный процесс сопровождается рядом эффектов, которые более надежно наблюдать с некоторой дистанции. Измеряемые показатели качества сварки обычно фиксируются по испускаемому из зоны обработки электромагнитному излучению, которое легко регистрируется с помощью фотодиодов или пирометров. Чтобы оценить текущее состояние процесса, сенсорная система должна быть соответствующим образом установлена и оптимизирована для каждого нового приложения. Задача по оптимизации может быть достигнута путем подхода на основе систематического обучения, как, например, в искусственных нейронных сетях или экспертных системах. Недостатком этого метода является то, что для каждого нового приложения настройки системы управления процессом должны быть адаптированы по временным затратам. Кроме того, такие решения являются чувствительными к изменению материала или входных параметров системы. Еще одним недочетом системы со встроенными сенсорами является то, что во многих случаях не удается найти корреляцию между интенсивностью полученного сигнала и происходящими возмущениями процесса, соответственно сделать однозначный вывод о качестве получившегося сварного шва не представляется возможным.

Эти проблемы могут быть частично решены с помощью систем формирования изображения. С помощью камеры с хорошим пространственным разрешением может осуществляться инспекция зоны взаимодействия излучения с материалом и прилегающих областей. Таким образом, осуществляется сбор дополнительной информации. В идеальном случае должна быть создана определенная инструкция и систематизация по режиму процесса. В зависимости от приложения данная информация также может быть использована для управления процессом.

Принцип работы датчика глубины проплавления

Принцип работы датчика основывается на низкокогерентной интерферометрии (рис.5). Для медицины метод оптической когерентной томографии используется в течение многих лет. Свет с малой длиной когерентности вместе с интерферометром используется для измерения расстояния до рассеивающего материала, к примеру, человеческой ткани. В этом методе сравнивается разность фаз между опорным и измерительным лучами, как в интерферометре Майкельсона. Короткая длина когерентности достигается с использованием источников излучения с широким спектральным диапазоном. Помимо усилий в части механической и оптической интеграции элементов датчика, основой инновации является технология адаптации, информация о которой приведена ниже; точность интерферометрического измерения не зависит от электромагнитных возмущений из канала проплавления или прилегающих областей, глубины канала или изменения поверхности в результате лазерного воздействия. Только «собственный» свет, излученный низкокогерентными источниками, приводит к интерференции между опорным и измерительным лучами. Таким образом, с помощью точного позиционирования измерительной точки измерение глубины канала проплавления можно производить соосно с лазерной обработкой, независимо от геометрии шва и материала. Топография поверхности может быть точно определена независимо от состояния поверхности. Единственным ограничением является размер измерительной точки по отношению к размеру пятна лазерной обработки и диапазону измерения в осевом направлении.

Датчик глубины сварки

Разработка датчика началась с лабораторных исследований в 2007 году. Установка позволяла измерять геометрию шва через сварочную головку с фокусным расстоянием 680 мм. В последующие годы различные области применения сопоставлялись с технологическими возможностями и потребностями рынка. Задача измерять глубину проплавления возникла на раннем этапе, что отражает постоянную потребность в точных датчиках, работающих в режиме реального времени. В этой связи компания Precitec анонсировала собственный датчик в 2013 году. С того времени система интегрировалась в различные приложения по лазерной сварке. Инновационная конструкция датчика, а также удобство в его эксплуатации были удостоены награды на конкурсе лазерных технологий в 2014 году. Сенсорный блок имеет возможность подключения к сварочной головке. Также предусмотрен выбор интерфейсов подключения. Подключение по протоколу RS-422 используется для передачи данных в реальном времени к датчику и от него, к примеру, к другим датчикам или контроллеру более высокого уровня. В то же время, сетевое соединение может быть использовано для подключения к компьютеру с операционной системой Windows с установленным программным обеспечением, называющимся «IDM explorer». Дополнительно доступны функции триггера, синхронизации и предусмотрен аналоговый выход. Коллиматор, установленный на сварочной головке, служит для направления света в канал проплавления. Интегрированный двухкоординатный XY позиционер предусмотрен для точного попадания излучения в канал. Для того, чтобы работать с большим разнообразием полученных сигналов с датчика, предусмотрена гибкая система обработки данных. Для обработки «сырых» измерений в системе предлагается большое разнообразие фильтров, которые могут комбинироваться между собой. Все состояния сигнала могут быть визуализированы и сохранены в программе «IDM explorer». Полные возможности датчика раскрываются в совместной работе с системой мониторинга процесса сварки. Работая как обычно в комбинации с фотодиодами, к системе мониторинга можно подключить датчик глубины проплавления, что позволяет использовать тот же алгоритм обнаружения ошибок для датчика, как и для фотодиодов. Такое решение очень удобно для конечного пользователя, так как датчик полностью интегрируется в систему управления процессом сварки. Прямой доступ к датчику требуется только в ходе настройки процесса управления. После настройки система управления устанавливает единый канал обмена данными с оператором.

Процесс обнаружения ошибок основывается на сравнении измеренных и заданных параметров. Путем анализа данных с датчика возможно сделать выводы об уровне глубины проплавления. Дальнейший анализ позволяет обнаруживать неустойчивость и изменения геометрии канала проплавления. В комбинации с записью технологических выбросов, осуществляемой с помощью фотодиодов, проводится комплексный мониторинг процесса лазерной сварки. На рис.6 представлены исходные данные (точки, выделенные зеленым цветом), которые позволяют сделать вывод о незначительных флуктуациях глубины проплавления. Красная кривая является обработанным сигналом, который поступает в систему мониторинга, где он подвергается дальнейшей обработке и систематизации.

Сведения о компании Precitec GmbH & Co. KG (Гаггенау, Германия)

Компания специализируется на производстве систем для лазерной обработки материалов. Precitec выпускает отдельные обрабатывающие головки для последующего присоединения к ним лазера, а также системы мониторинга процесса сварки. Перед началом процесса сварки камеры с высоким разрешением определяют положение и геометрию заготовки с использованием принципа триангуляции. Анализ шкалы серых тонов позволяет переместить сварочную головку в точное положение. Датчики и камеры, работающие в режиме реального времени, предоставляют пользователю информацию о стабильности процесса сварки и дефектах сварного соединения. На завершающей стадии процесса соответствующие камеры определяют геометрию и поверхность шва.

Выводы

Сам по себе датчик глубины проплавления является устройством, измеряющим дистанцию. Однако благодаря высокому пространственному и временному разрешению, а также устойчивости к технологическим выбросам, данное устройство находит применение в сложном с точки зрения внешних условий процессе лазерной обработки материалов. Измерение глубины проплавления является новшеством в сфере мониторинга технологических процессов. Наконец, оценка качества изделий, сваренных лазерным методом, основывается на измерении геометрических величин и не коррелирует с процессом излучения. В комбинации с системой мониторинга процесса сварки, датчик глубины проплавления является устройством, пригодным для производственных условий.

Данная технология приводит к модернизации датчиков, использующихся в настоящее время в сфере лазерной обработки материалов. Новые приложения, которые становятся доступными для лазерной сварки, укрепляют позиции лазера как инструмента для производства и исследований.

[1] Тибалт Баутц менеджер по продукции в Precitec GmbH & Co. KG с 2010 года. До этого изучал электротехническую инженерию в университете Карлсруэ. Завершил обучение в Мюнхенском техническом университете, где работал над задачей обработки данных для лазерных приложений. Свою деятельность в Precitec начал с опытно-конструкторских работ, затем стал лидером в отделе разработки. В настоящее время занимается оптимизацией процесса лазерной сварки и системы мониторинга.

** Маркус Когель-Холлакер начал работать с лазерной техникой во время подготовки магистерской диссертацией (Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена, Германия) в Институе лазерных технологий им.Фраунгофера в 1994 году. С 1996 года работает в Precitec Optronik GmbH. В 2008 защитил докторскую диссертацию в Берлинском Техническом Университете (Германия). Занимая должности главы отдела разработок, курирует проекты, финансируемые правительством. Является членом совета директоров в LIA (Американскийлазерный институт). Обладатель третьего места в конкурсе инновационных лазерных технологий 2012 года и второго места 2014 года.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4815_941.pdf