[发明专利]一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法

说明书

一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法属于激光焊接技术领域。测量系统由探测激光器、信号采集系统、信号处理系统、焊接激光器、焊件及保护系统组成；在激光焊接过程中，探测激光穿过羽辉后，部分光被羽辉中的微粒反射回探测激光腔内形成新的谐振，通过测量探测激光器电压、频率的变化并经过数据处理，可以得到羽辉中微粒的尺寸、数量、速度等信息。本发明具有系统结构简单、体积小、易于调节、无需外部干涉、不受探测激光功率波动影响、成本低廉等优点，能够原位实时测量不同位置处羽辉中微粒的尺寸和速度、及羽辉中微粒的空间分布等特征。

技术领域

本发明涉及一种羽辉中微粒的测量方法，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法。

背景技术

由于波长1μm量级的激光(光纤激光、Nd:YAG激光、盘片式激光或半导体激光)波长短、可通过光纤传输，故而将此类激光器用于材料加工时，具有金属板材吸收率高，加工柔性高等优势，在焊接领域及智能制造领域获得了广泛的关注。羽辉是波长1μm量级激光焊接中固有的物理现象，对焊接过程存在明显的负面影响。而羽辉影响激光传输的本质是羽辉中存在大量微粒，微粒通过吸收或散射等方式对激光的传输特性带来负面影响。因此，研究羽辉中微粒的特性行为对理解羽辉影响焊接过程的机理及优化焊接工艺具有重要的指导意义。

目前，对羽辉的研究包括羽辉的形态观测、羽辉温度诊断、羽辉对焊接过程的影响等方面，也取得了显著的进展。然而，目前对羽辉的形成机理尚不清楚，特别是有关羽辉中微粒的分布情况、微粒的尺寸、微粒的来源等方面均缺乏直接的证据。现阶段对于羽辉中微粒的研究，主要是焊接过程结束后收集羽辉中的微粒，然后再测量。这种方法存在两方面局限性，一方面，收集过程势必会遗失大量微粒，测量获得结果未必是羽辉中微粒的实际值；另一方面，这种方法不能获得羽辉中微粒的空间分布规律、运动速度等特征。

为了克服上述局限性，本发明提出了一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法。利用探测激光穿过羽辉后部分光被羽辉中的微粒反馈回探测激光腔内形成新的谐振，通过测量探测激光电压的变化规律，可实时测量羽辉中微粒的尺寸分布情况和运动速度分布情况。本发明具有系统结构简单、体积小、易于调节、无需外部干涉、不受探测激光功率波动影响、成本低廉等优点。

发明内容

本发明目的在于提供一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法，测量真实焊接状态下羽辉中微粒的特性行为，包括实际焊接状态下羽辉中粒子尺寸、数量、速度等信息。相较于传统的焊接结束后收集羽辉粒子研究的方法，能够实时进行测量，从而得到羽辉粒子的真实分布状态和速度变化情况。

一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法，其特征在于：原位测量系统由探测激光器、信号采集系统、信号处理系统、焊接激光器、焊件及过程保护系统组成；在激光焊接过程中，会产生羽辉；探测激光穿过羽辉后部分光被羽辉中的微粒反馈回探测激光腔内形成新的谐振，通过测量探测激光电压、频率的变化，得到羽辉中微粒的尺寸、数量和速度；

探测激光束与焊接激光束之间的夹角为10°～90°；探测激光束与焊接激光束之间的垂直距离为5mm至100mm；探测激光束与焊接方向之间的夹角为0°至180°；探测激光束与深熔小孔口(深熔小孔为光纤激光深熔焊接过程中固有的物理现象)的间距为0.1 mm～100mm。

焊接用激光器为光纤激光、Nd:YAG激光、盘片式激光或半导体激光；激光器的输出功率为0.5kW～50kW。

探测激光的波长为0.1μm～20μm；探测激光器的输出功率为0.01mW～50W；探测激光束的直径为0.1mm～8mm。