[实用新型]光强可调的激光焊接质量在线检测装置

说明书

本实用新型公开了一种光强可调的激光焊接质量在线检测装置，包括激光加工头、合束镜、若干个分光元件和光辐射信号检测模块，所述合束镜与激光加工头的主光路形成45°夹角，合束镜与若干个分光元件平行放置，激光加工头的反射光通过合束镜反射给分光元件，再通过分光元件反射进入光辐射信号检测模块；在合束镜与光辐射信号检测模块之间的光路上设置有光强调节器。本实用新型能够通过调节入射到光辐射信号检测模块的光强，使光辐射信号检测模块接收的信号强度在正常工作范围内，使本检测装置能适应多种复杂加工工况与设备。

技术领域

本实用新型涉及根据激光焊接过程所产生的光辐射信号，对激光加工质量进行在线检测的装置，具体涉及一种光强可调的激光焊接质量在线检测装置。

背景技术

激光加工过程是光与材料相互作用的过程，其主要是利用激光器激发的激光束通过光纤和透镜传输后聚焦，从而获得功率密度高的热源。当材料吸收伴激光光束能量引起熔化(甚至气化)，进而达到材料加工的目的。在激光束的聚焦区域中，金属材料被迅速加热到较高的温度(2500～3000℃)并引起材料产生汽化现象，形成匙孔。在蒸汽压力的作用下，匙孔表面保持常开状态，金属蒸汽及部分等离子体从匙孔内部向外喷发。由于匙孔内蒸汽压力的不稳定，加之液态金属表面张力及蒸汽压力的相互作用下，匙孔内壁的熔融金属随着应力平衡条件被打破，将出现波浪式流动，甚至液态金属从匙孔内部(或表面)脱离熔池，进而产生液态飞溅。此现象的表征常为匙孔、熔池、金属蒸汽、飞溅及与其伴随产生的各种光辐射现象。

国内外的学者在开展激光加工状态识别和状态监测研究时发现，激光焊接质量的好坏，与上述激光加工光辐射信号稳定性与否具有高相关性。上述被检测的光辐射信号主要分为三类，即可见光辐射、激光反射及红外热辐射。由于可见光辐射信号的强弱可以用来识别熔深及熔宽的变化；激光反射辐射强度大小也与匙孔深度有着较大的关联度，红外辐射受匙孔、熔池的几何形态变化的影响。因此，利用光电传感对激光加工时产生光辐射信号的变化进行检测是判断激光加工质量好坏的关键方法之一。

然而，在工业生产过程中，由于加工对象、使用的设备、采用的加工工艺方案等的差异。例如材料的差异，铝合金为激光高反射率材料，在同功率的激光器进行激光加工过程中产生的被反射的激光能量大于不锈钢材料，导致产生了可见光辐射，激光反射有很大差异。又例如，在0.2mm厚不锈钢材料与6mm厚不锈钢材料的焊接中，由于0.2mm不锈钢板厚度不足，很难形成完成的匙孔，所产生的光辐射信号以激光反射为主，且信号强度与深熔焊有极大差异。又例如，由于板材厚度不同，导致材料需要更深的匙孔和更大熔池面积才能保证材料有效接合，焊接时所产生的金属蒸汽量也因此有很大的差异。一般情况下，设备加工功率可以覆盖几百瓦到上万瓦的功率范围。上述工艺情况差别造成加工产生的光辐射信号存在极大的差异。此差异远远超出了现有光敏感应器的感应灵敏区，导致元器件响应钝化，无法有效接受辐射光信号。

下述3件专利，公开了一些利用光辐射对激光加工质量检测的方法。但是，由于设备未能适应大范围的信号变化，导致制约了生产线上的柔性制造能力，若每次都需要就生产工艺更改检测装置，会给生产的灵活性带来不便。

在CN201015816Y中公开了一种用于监视激光加工过程的装置以及激光头。该设备包括了用于接收激光束和工件互相作用时产生的光辐射信号，通过分光光路将辐射进行分光处理，并通过一个或多个光电传感器和CCD或CMOS图像传感器对光辐射进行获取，并通过分析电路对焊接质量好坏做出判断。

CN100475414C中公开了一种另外的方法，通过反光镜与导光镜对红外辐射光和等离子辐射光进行分离，并通过红外光电传感器和等离子体光电传感器接收光辐射并转化为电信号，最终通过计算机处理来进行质量检测。

CN207114420U则公开了一种旁轴在线检测装置，此装置通过夹角为45°的分光镜对光辐射信号进行分离，并通过在传感器前的带通滤光片获取指定波长的光辐射信号，使传感器捕捉到不同的光辐射信号。

发明内容