[發明專利]一種直接觀察激光焊接中光斑作用區動態行為的方法

在審

• 申請號: 202210183118.7
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114453731A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 鄒江林;趙振家;孔華;肖榮詩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K26/03
• 分類號: B23K26/03;B23K26/70
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種直接觀察激光焊接中光斑作用區動態行為的方法，屬于激光材料加工領域。本發明的特征為：采用外加電弧等離子體改變激光深熔焊接小孔內噴發羽輝的發光特征和燒除羽輝中的微粒，并使用照明激光輻照焊接熔池，高速攝像機鏡頭前面配置與照明激光波長一致的帶通濾波片與光強衰減片直接觀測熔池中的激光作用區。激光焊接過程中的能量耦合過程、焊接缺陷的產生均與激光作用區的動態行為直接相關。使用該方法能夠直接清晰觀察激光作用區的動態行為，有望建立該動態行為與焊接缺陷產生過程的對應關系，實現激光智能制造中焊接過程質量的準確監測。此外，本發明具有系統結構簡單、易于操作、成本低廉等優點。

技術領域

本發明涉及一種直接觀察激光焊接中光斑作用區動態行為的方法，屬于激光材料加工領域。

背景技術

焊接在制造業中廣泛應用，經歷了從早期的氣焊、電弧焊到現在的等離子、電子束、激光束為代表的高能束流焊接的發展過程。與其它技術相比激光深熔焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區小、焊后板材熱變形小、焊接速度快、加工柔性好、易于實現自動化控制、可焊材質種類范圍大等顯著優勢。因此激光深熔焊接技術廣泛的應用與汽車整車及零部件、軌道交通、航空航天、醫療器械等行業中。

激光深熔焊接時，激光束作用于材料表面，使其經歷了加熱、熔化、劇烈蒸發、然后熔池在金屬蒸汽反沖壓力作用下向下凹陷形成深熔小孔的過程。激光焊接中，激光束直接作用于小孔前壁。小孔前壁對入射激光的一次吸收決定了焊接深度。小孔前壁激光致蒸發蒸汽的噴發擠壓小孔前壁及沖擊小孔后壁熔池，是形成飛濺、駝峰和焊縫表面成形差的主要原因。因此，直接觀察小孔前壁(即激光作用區)的動態行為，有望建立激光作用區的動態行為與焊接缺陷產生過程的對應關系，實現激光智能制造中焊接過程質量的準確監測。目前對深熔小孔的觀測通常采用高速攝像機與照明激光相結合的方式進行觀測。然而，激光焊接小孔內噴發羽輝的光強很高、波長范圍較廣，且羽輝中存在大量微粒，采用該方法進行觀察，羽輝的存在極易干擾對小孔口的準確觀察。

為了克服上述局限性，本發明提供了一種直接觀察激光焊接中光斑作用區動態行為的方法。采用外加電弧等離子體改變激光深熔焊接小孔內噴發羽輝的發光特征和燒除羽輝中的微粒。主要是電離金屬蒸汽從而達到提高溫度和改變輻射光波波長范圍的目的并燒除激光作用區附近的大量微粒，降低它對觀察過程的干擾。由于激光焊接中的能量耦合過程、焊接缺陷的產生均與激光作用區的動態行為直接相關，直接清晰觀察激光作用區的動態行為，有望建立該動態行為與焊接缺陷產生過程的對應關系，實現激光智能制造中焊接過程質量的準確監測。

發明內容

本發明的目的在于提供一種直接觀察激光焊接中光斑作用區動態行為的方法。激光焊接時，采用外加電弧等離子體改變激光深熔焊接小孔內噴發羽輝的發光特征和燒除羽輝中的微粒，并使用照明激光輻照熔池，高速攝像機鏡頭前面配置有與照明激光波長一致的帶通濾波片與相應透光率的衰減片觀測光斑作用區。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：照明激光的波長在100nm～1000nm；功率為0.1W～100W；高速攝像與焊接板材的夾角為15°～90°；焊接時，外加電弧與焊接激光束的夾角為15°～70°；外加電弧與焊接激光束之間的垂直距離為1mm～5mm；外加電弧到焊接母材的距離為1mm～3mm；外加電弧功率為500W～3000W；焊接用激光器的波長在0.1μm～20μm，功率在0.5kW～500kW；高速攝像前端配置帶通濾波片與衰減片，帶通濾波片的中心波長與照明光的波長一致，其帶寬為1nm～20nm；衰減片的透光率為0.01％～50％。

為實現上述目的，本發明采用的高功率激光束可以為光纖激光器、碟片激光器、半導體激光、綠光激光器、藍光激光器或Nd-YAG激光器；焊接時，激光束可以是負離焦、離離焦或正離焦；激光的出光模式為脈沖出光或者連續出光。外加的電弧等離子體為TIG電弧、MIG電弧或等離子弧。