[发明专利]激光表面处理质量控制方法及其在线监控系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光表面处理质量控制方法及其控制系统。

背景技术

激光表面处理技术是一项近年来逐步兴起的前沿技术，它的应用前景非常广阔，尤其在金属表面处理方面得到了大量的应用。简单来说，这种技术的原理是，使用激光束快速扫描被加工物件，使工件表面迅速熔化或通过热应力在表面形成沟槽等物理形貌，或形成不同深度的薄层，可以一定程度上取代机械表面处理或化学表面处理。后续可以采用诸如真空蒸镀、电镀等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后获得特殊性能的合金层。例如在H13钢表面采用激光快速熔融工艺进行处理，熔区具有较高的硬度和良好的热稳定性，抗塑性变形能力高，对疲劳裂纹的萌生和扩展有明显的抑制作用。又例如在某些硅钢产品表面应用激光处理，来细化硅钢的磁畴，降低成品铁损。

目前，激光表面处理技术有两种典型代表，一种是日本钢厂在上世纪七十年代首先采用的，用多个小功率的激光器排列成一维或两维阵列，每个激光器可以扫描一定幅段的长度。当被加工件宽度增加时，每一排激光器的数量增加；当被加工件运动速度增加时，激光器的排数增加。这种技术存在以下不足：1)由于每个激光器的功率及聚焦透镜不可能制造的完全一致，被加工件上的扫描线段也不可能完全一致，这就会导致最终处理终端上每个位置的处理质量不一样；2)由于需要的激光器的个数多，特别是被加工件处于动态且运动速度很高时，甚至需要上百台激光器，如此众多的激光器无疑增加了现场监控、维护的难度；3)某些被加工件表面会附有特殊材料的涂层（如钢板表面的绝缘涂层），这种处理技术会破坏涂层。

随着激光技术的进步，千瓦级高光束质量的激光器的出现，使得采用一台激光器来实现高速度扫描成为可能。德国ILT和Thyssen钢厂在上世纪九十年代联合研制成功先进的导光系统，利用光学扫描多面镜及能获得特殊聚焦光斑的光学聚焦系统来高速度扫描被加工件表面，该方法克服了早期的采用多个小功率激光器所带来的缺点，同时具备无损伤、高速度、处理质量均匀且维护简单等优点，目前世界上越来越多的企业都采用这种技术。

由于影响激光表面处理质量的因素较多，如激光光斑形状和大小、激光焦点位置、激光功率、激光扫描速度、绝缘层材料及厚度、被加工件材料及规格等等，这些复杂因素的影响最终决定了激光在工件上处理的效果。另一方面，激光处理现场环境比较恶劣，温度高、湿度大，处理过程中产生的粉尘等异物会在激光的作用下损坏飞行光束传输中的反射镜、聚焦镜，使飞行光束传输的激光的光束质量变差，导致激光光束发散角变大，光斑形变，激光功率降低、激光强度分布不均等一系列激光光束上的问题。目前的大型激光表面处理系统都没有主动监测装置，也没有监测闭环控制系统，无法对在线的表面处理状态进行在线评估，加上该技术的处理效率高、加工速度快，一旦出现问题，产品的废品率极高。为防止大批量质量事故的发生，就需要人工做大量的非在线检测工作，检测周期非常长，耽误了工期，也浪费极大的人力、物力及时间。

中国专利申请201010515025.7公开了一种激光检测技术，用于检测倍频激光器的功率，其原理是将倍频之前的激光分出一束来,由探测器进行光强和功率的测量与控制。这种技术能够起到很好地监控实际输出功率的作用,但仅仅是一种监控光源输出功率的手段，并无法系统的对于对实际加工质量做出检测和判定。

基于大型高功率激光加工系统在使用中出现的问题，除了保障激光光路中的温度、湿度、粉尘等外界因数控制在设备要求的范围内外，最关键的还要保证激光处理过程中材料表面的激光功率密度一致，那么就必须通过监测加工时产生的弧光的强弱来分辨激光焦点是否在材料表面上。激光加工系统中光路传输的有效性,聚焦光斑大小,焦点高度位置等关键因素尤为重要,由于受到工作环境因素,使用过程中元件老化,精度调整等一系列问题,将会导致激光加工中关键因素变化较大,导致质量无法保证，目前还缺乏一种有效的质量监控方法及其在线监控系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光表面处理质量控制方法及其在线监控系统，充分考虑到激光光路周边温度、湿度、粉尘等外界因数对于激光加工质量的影响，可实时监测激光在材料表面处理过程中的激光功率密度的变化情况以及激光焦点在材料表面的高度位置即焦点平面位置的准确性，确保高速加工后良好的工艺效果。

根据本发明一方面提供一种激光表面处理质量控制方法，通过一个在线监控系统实施，该在线监控系统包括激光传输光路系统、中央处理器和图像显示器，该中央处理器包括数据采集单元和中央处理单元，所述激光表面处理质量控制方法包括：