[發(fā)明專利]基于光學(xué)弱相干成像的激光焊接熔深信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010945774.7
• 申請(qǐng)日: 2020-09-10
• 公開（公告）號(hào): CN112247382A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭增超;萬楚豪;王銳;王瑞;胡真;葉建軍;余勉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢光谷航天三江激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號(hào): B23K26/70
• 分類號(hào): B23K26/70;B23K26/046;B23K26/03;G02B7/02;G02B7/182;G02B26/10;G02B15/14;G02B15/15
• 代理公司: 北京恒和頓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11014
• 代理人: 王福新

本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)弱相干成像的激光焊接熔深信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括依次呈光路連接的探測(cè)光源、光纖環(huán)形器及光纖耦合器，探測(cè)光源發(fā)射探測(cè)光傳輸至光纖環(huán)形器并輸入至所述光纖耦合器后分為兩束，分別作為探測(cè)光和參考光，還包括分別與光纖耦合器光路連接的參考臂和樣品臂，樣品臂包括探測(cè)光準(zhǔn)直鏡、調(diào)焦鏡組、掃描振鏡以及激光加工頭，參考光進(jìn)入?yún)⒖急郏?jīng)參考臂沿原光路耦合到參考光纖中，形成參考臂回路；以及與光纖環(huán)形器連接的光譜分析單元和與光譜分析單元通信連接的數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明還公開了對(duì)應(yīng)的方法。本發(fā)明的系統(tǒng)，對(duì)焊接過程中的匙孔進(jìn)行檢測(cè)，最終通過數(shù)據(jù)擬合形成與金相照片一致的熔深變化曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光學(xué)弱相干成像的激光焊接熔深信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

激光焊接具有熱輸入小、焊接速度快、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等突出優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于航空航天、汽車制造、軌道交通、日用電器、3C電子等領(lǐng)域。在焊接過程中，可以通過選擇小芯徑的激光器，更小焦距的聚焦鏡來降低聚焦光斑的直徑進(jìn)而在焊接方向達(dá)到很高的精度。但是，很難在軸向方向上控制激光的作用。特別地，當(dāng)激光光斑的功率密度大于106W/cm²時(shí)，金屬在激光照射下被熔化、汽化。金屬汽化過程中，金屬蒸汽以一定的速度離開熔池，在液態(tài)金屬中形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的孔洞，這個(gè)孔便成為匙孔。在高功率激光焊接過程中匙孔是動(dòng)態(tài)變化的，匙孔深度劇烈波動(dòng)。匙孔的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空隙和高焊接孔隙率，從而導(dǎo)致焊接失敗，匙孔的不穩(wěn)定性甚至可以導(dǎo)致飛濺到附近污染系統(tǒng)組件，使激光焊接在諸如車輛變速器之類的系統(tǒng)中的應(yīng)用復(fù)雜化。因此，激光焊接焊接質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)的需求越來越廣泛。

專利文獻(xiàn)CN 107076546 B公開了一種基于光學(xué)相干斷層成像檢測(cè)原理的在借助射束焊接或結(jié)合工件時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量焊縫深度的設(shè)備。這種設(shè)備的測(cè)量光經(jīng)過準(zhǔn)直模塊安裝在焊接頭上，準(zhǔn)直模塊包括法拉第旋轉(zhuǎn)器、場(chǎng)透鏡和準(zhǔn)直透鏡，通過機(jī)械設(shè)計(jì)可調(diào)整準(zhǔn)直模塊內(nèi)部光學(xué)鏡片的位置及角度，測(cè)量光射束的焦點(diǎn)也能夠就加工射束而言在前運(yùn)行和在后運(yùn)行中進(jìn)行校正。該設(shè)備采用了分光比為50:50的2*2光纖耦合器，有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)參考光和測(cè)量光在從光纖耦合器輸出時(shí)兩者是相等的，參考臂回路的反射光強(qiáng)一般在90％以上，而測(cè)量臂回路的反射光強(qiáng)一般不超過45％，為了使光纖耦合器形成最理想的干涉信號(hào)(參考臂回路的反射光強(qiáng)＝測(cè)量臂回路的反射光強(qiáng))，則在參考臂加上衰減器，減去約一半的參考臂反射光強(qiáng)，檢測(cè)光源的有效利用率非常低。(2)從2*2光纖耦合器輸出的干涉信號(hào)是兩路相等輸出的，一路向檢測(cè)光源輸出，另一路向光譜分析單元輸出，也就是說，光譜分析單元只能接收到約一半的干涉信號(hào)強(qiáng)度，大大降低了光譜分析單元的分析靈敏度和準(zhǔn)確度。并且，從2*2光纖耦合器輸出向檢測(cè)光源輸出的那一路干涉信號(hào)會(huì)影響檢測(cè)光源的穩(wěn)定性，需要在光源上加上反向傳輸隔離裝置，用于消除干涉信號(hào)對(duì)光源造成的干擾，增加了設(shè)備成本和設(shè)備體積。專利文獻(xiàn)CN 109219496 A公開了一種激光加工時(shí)工藝監(jiān)控的具有光學(xué)距離測(cè)量裝置和棱鏡偏轉(zhuǎn)單元的裝置及具有其的激光加工頭。該設(shè)備的光學(xué)距離測(cè)量裝置是通過光學(xué)相干斷層成像實(shí)現(xiàn)，包含用于產(chǎn)生測(cè)量光束的測(cè)量光源，和將測(cè)量光源聚焦到工件表面形成測(cè)量光點(diǎn)的棱鏡偏轉(zhuǎn)單元，所述棱鏡單元使測(cè)量光點(diǎn)橫向的偏轉(zhuǎn)于所述工件表面上定位。該裝置采用棱鏡偏轉(zhuǎn)單元來偏轉(zhuǎn)測(cè)量光束，該偏轉(zhuǎn)只能在一維方向上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，無法在測(cè)量熔深的同時(shí)兼顧焊前焊縫跟蹤、焊后質(zhì)量檢測(cè)的功能。綜上可知，在線監(jiān)測(cè)的智能傳感技術(shù)仍然落后，目前常用的方法是采用光電二極管或光學(xué)相機(jī)傳感器測(cè)量激光焊接過程中產(chǎn)生的釋放物來表征熔池和匙孔的穩(wěn)定性，后期破壞性分析實(shí)驗(yàn)焊接質(zhì)量進(jìn)行分析。這些技術(shù)僅可定性的判斷激光焊接過程，無法實(shí)時(shí)測(cè)量激光焊接的過程，因此傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)尚不能滿足汽車、航空航天、軌道交通等行業(yè)的需求。

發(fā)明內(nèi)容