[发明专利]基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测系统，包括依次呈光路连接的探测光源、光纤环形器及光纤耦合器，探测光源发射探测光传输至光纤环形器并输入至所述光纤耦合器后分为两束，分别作为探测光和参考光，还包括分别与光纤耦合器光路连接的参考臂和样品臂，样品臂包括探测光准直镜、调焦镜组、扫描振镜以及激光加工头，参考光进入参考臂，经参考臂沿原光路耦合到参考光纤中，形成参考臂回路；以及与光纤环形器连接的光谱分析单元和与光谱分析单元通信连接的数据处理单元。本发明还公开了对应的方法。本发明的系统，对焊接过程中的匙孔进行检测，最终通过数据拟合形成与金相照片一致的熔深变化曲线，实时监测焊接过程。

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，更具体地，涉及一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测系统及方法。

背景技术

激光焊接具有热输入小、焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区小、焊接精度高、易于实现自动化等突出优点，被大量应用于航空航天、汽车制造、轨道交通、日用电器、3C电子等领域。在焊接过程中，可以通过选择小芯径的激光器，更小焦距的聚焦镜来降低聚焦光斑的直径进而在焊接方向达到很高的精度。但是，很难在轴向方向上控制激光的作用。特别地，当激光光斑的功率密度大于106W/cm²时，金属在激光照射下被熔化、汽化。金属汽化过程中，金属蒸汽以一定的速度离开熔池，在液态金属中形成一个细长的孔洞，这个孔便成为匙孔。在高功率激光焊接过程中匙孔是动态变化的，匙孔深度剧烈波动。匙孔的不稳定性会导致内部空隙和高焊接孔隙率，从而导致焊接失败，匙孔的不稳定性甚至可以导致飞溅到附近污染系统组件，使激光焊接在诸如车辆变速器之类的系统中的应用复杂化。因此，激光焊接焊接质量在线监测的需求越来越广泛。

专利文献CN 107076546 B公开了一种基于光学相干断层成像检测原理的在借助射束焊接或结合工件时实时测量焊缝深度的设备。这种设备的测量光经过准直模块安装在焊接头上，准直模块包括法拉第旋转器、场透镜和准直透镜，通过机械设计可调整准直模块内部光学镜片的位置及角度，测量光射束的焦点也能够就加工射束而言在前运行和在后运行中进行校正。该设备采用了分光比为50:50的2*2光纤耦合器，有以下两个缺点：(1)参考光和测量光在从光纤耦合器输出时两者是相等的，参考臂回路的反射光强一般在90％以上，而测量臂回路的反射光强一般不超过45％，为了使光纤耦合器形成最理想的干涉信号(参考臂回路的反射光强＝测量臂回路的反射光强)，则在参考臂加上衰减器，减去约一半的参考臂反射光强，检测光源的有效利用率非常低。(2)从2*2光纤耦合器输出的干涉信号是两路相等输出的，一路向检测光源输出，另一路向光谱分析单元输出，也就是说，光谱分析单元只能接收到约一半的干涉信号强度，大大降低了光谱分析单元的分析灵敏度和准确度。并且，从2*2光纤耦合器输出向检测光源输出的那一路干涉信号会影响检测光源的稳定性，需要在光源上加上反向传输隔离装置，用于消除干涉信号对光源造成的干扰，增加了设备成本和设备体积。专利文献CN 109219496 A公开了一种激光加工时工艺监控的具有光学距离测量装置和棱镜偏转单元的装置及具有其的激光加工头。该设备的光学距离测量装置是通过光学相干断层成像实现，包含用于产生测量光束的测量光源，和将测量光源聚焦到工件表面形成测量光点的棱镜偏转单元，所述棱镜单元使测量光点横向的偏转于所述工件表面上定位。该装置采用棱镜偏转单元来偏转测量光束，该偏转只能在一维方向上进行偏转，无法在测量熔深的同时兼顾焊前焊缝跟踪、焊后质量检测的功能。综上可知，在线监测的智能传感技术仍然落后，目前常用的方法是采用光电二极管或光学相机传感器测量激光焊接过程中产生的释放物来表征熔池和匙孔的稳定性，后期破坏性分析实验焊接质量进行分析。这些技术仅可定性的判断激光焊接过程，无法实时测量激光焊接的过程，因此传统的监测技术尚不能满足汽车、航空航天、轨道交通等行业的需求。

发明内容