CN105790046A - 一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法 - Google Patents

一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105790046A
CN105790046A CN201610369599.5A CN201610369599A CN105790046A CN 105790046 A CN105790046 A CN 105790046A CN 201610369599 A CN201610369599 A CN 201610369599A CN 105790046 A CN105790046 A CN 105790046A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
pulse
pulse laser
energy
detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610369599.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105790046B (zh
Inventor
罗怡
谢小健
朱亮
韩静韬
丁宇
贾立成
张家豪
蒋志高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Technology
Original Assignee
Chongqing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Technology filed Critical Chongqing University of Technology
Priority to CN201610369599.5A priority Critical patent/CN105790046B/zh
Publication of CN105790046A publication Critical patent/CN105790046A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105790046B publication Critical patent/CN105790046B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/0007—Applications not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明公开脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法。该方法借助实时检测脉冲激光与靶材作用激发的声发射信号波形，提取出每个脉冲激光声发射事件的平均振铃计数和正峰均值，绘制正峰均值‑平均振铃计数的特征分布图，以特征分布图为基础，计算特征分布图中的散点群重心，进而统计出散点的聚集度因子。脉冲激光器输出脉冲能量稳定性判断原则为：正峰均值‑平均振铃计数特征分布图中的散点分布越集中，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性越好；聚集度因子越小，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性越好。利用本发明能够实现对脉冲激光器输出能量稳定性的检测与评估，尤其适合用于金属材料焊接、熔敷、表面热处理的激光器输出能量稳定性的检测与评估。

Description

一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲激光器输出脉冲的检测与评估技术，适用于脉冲激光加工输出能量稳定性检测与评估的应用场合，尤其适合用于金属材料焊接、熔敷、表面热处理的激光器输出能量稳定性的检测与评估。
背景技术
激光加工是一种应用较为广泛的材料加工技术，而激光焊接在金属材料加工领域应用尤为广泛。作为一种高效率的焊接技术，激光焊接热源能量密度大，热输入低、使焊接热影响区窄、热变形小，容易实现深熔和高重复精度焊接。在脉冲激光焊接过程中，激光的焊接能量大小是由激光脉冲频率、峰值功率和脉宽等参数共同决定，而不同的焊接能量试验参数对焊接过程的稳定性和焊缝成形都有重要影响，由于控制激光焊接的因素较多，试验参数的匹配对焊接过程稳定性极为重要。
在脉冲激光焊接过程中，激光脉冲能量的输出是影响焊接质量的重要因素，因此，在激光器的设计与制造中均对激光脉冲能量输出及其稳定性有严格要求，并采用专用仪器或方法进行测试和评估。在焊接过程中，激光焊接热源与工件形成的相互作用效应会以不同形式释放能量，结构负载声发射能量即是其中的一种。本发明利用输出激光能量与特制靶材相互作用激发的声发射能量作为信息源，实时检测激光热源与工件相互作用所释放的声发射信号，提取信号的特征参数，实现对脉冲激光能量输出及其稳定性的检测和评估，为脉冲激光加工过程激光能量输出稳定性评估提供了一种新的技术手段。
发明内容
本发明针对焊接、熔敷、表面热处理等制造用激光器输出能量的稳定性检测，提供一种基于声发射能量检测的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性检测与评估评估方法。
本发明采取以下技术方案：
一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法，该方法利用实时检测激光器输出激光束冲击靶材产生的声发射能量释放特征，实现对激光能量输出稳定性的评估。所述检测与评估方法的步骤如下：
(1)安装声发射传感器于靶材上，且正对靶材中心位置；
(2)对靶材进行循环冷却；
(3)将激光器输出激光能量作用于靶材中心位置。
(4)实时采集输出激光能量作用于靶材激发的声发射信号，并绘制出信号的动态波形图。
(5)关停激光能量输出，并停止声发射信号在线检测。
(6)由声发射信号动态波形提取出每个脉冲激光声发射事件的平均振铃计数和正峰均值。
(7)以正峰均值为X轴，以平均振铃计数为Y轴，绘制正峰均值-平均振铃计数特征分布图。
(8)计算散点X轴坐标平均值X0和Y轴坐标平均值Y0，得到的位置(X0，Y0)作为散点群重心；
(9)计算各散点与散点群重心的间距值；
(10)统计间距值的标准差，作为聚集度指标，即聚集度因子，判断脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性。
判断原则为：
(1)正峰均值-平均振铃计数特征分布图中的散点分布越集中，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性越好，此为定性判断。
(2)聚集度因子越小，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性越好，此为定量判断。
所述靶材材料为紫铜，且内部加工冷却水通孔。循环冷却是采用循环水冷机，循环水冷机的循环水管路与靶材的冷却水通孔接通进行冷却。
本发明的创新在于利用利用对脉冲激光作用于靶材激发出的声发射能量的检测与评估，实现对脉冲激光输出脉冲能量稳定性的检测与评估，与现有技术相比具有以下优点：
(1)检测与评估方法简单，可操作性强；
(2)系统设计与制造成本低廉；
(3)评估结果直观，并且接近激光加工的实际工况；
(4)检测效率高，可实现快速评估。
附图说明
图1是脉冲激光器输出脉冲能量稳定性检测系统组成示意图。
图2是实施例1检测到的激光脉冲能量激发声发射信号波形。
图3是实施例1正峰均值-平均振铃计数特征分布图。
图4是实施例2检测到的激光脉冲能量激发声发射信号波形。
图5是实施例2正峰均值-平均振铃计数特征分布图。
图中，1激光器、2激光束、3靶材、4循环水管路、5快接接头、6循环水冷机、7冷却水通孔、8声发射传感器、9前置放大器、10信号调理器、11数据采集卡、12计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
参见图1，本检测方法采用的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性检测系统包括激光器1、靶材3、循环水冷机6、声发射传感器8和计算机12等。靶材3采用紫铜材料制作，靶材用于与脉冲激光器输出的激光能量相互作用，激发的声发射能量作为信息源，声发射传感器8安装在靶材3上，用于探测到靶材激发的声发射信号，传递给9前置放大器，信号经放大后再经过信号调理器10处理，再通过数据采集卡11后送到计算机12，由计算机12对信号计算等处理，得到检测结果。
在工作中，靶材3需要实时冷却，因此设计了循环水冷机6，在靶材内部加工有冷却水通孔7，循环水冷机6的循环水管路4通过快接接头5与靶材的冷却水通孔接通实现循环冷却。
实施例1：
采用图1所示的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性检测系统，设置激光脉冲参数为：脉冲峰值3kW，脉冲宽度2.5ms，脉冲频率20Hz，单脉冲激光能量输出为7.5J。安装声发射传感器8于靶材3右侧正对靶材中心位置，打开循环水冷机6，启动激光器1，使输出脉冲激光能量作用于靶材中心区域，作用时长为2.5s。实时采集输出激光能量作用于靶材激发的声发射信号并绘制动态波形如图2所示。提取出激光作用时长内激光声发射事件的平均振铃计数和正峰均值，以正峰均值为X轴，平均振铃计数为Y轴，绘制正峰均值-平均振铃计数特征分布图如图3所示。计算散点X轴坐标平均值X0＝0.568，Y轴坐标平均值Y0＝9.061，得到的位置(0.568，9.061)为散点群重心。根据散点分布计算聚集度因子为3.836。
由图3所示正峰均值-平均振铃计数特征分布图可以看出，散点分布较集中，聚集度因子较小，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性较好。
实施例2：
采用图1所示的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性检测系统，设置激光脉冲参数为：脉冲峰值4kW，脉冲宽度2.5ms，脉冲频率20Hz，单脉冲激光能量输出为10.0J。安装声发射传感器8于靶材3右侧正对靶材中心位置，打开循环水冷机6，启动激光器1，使输出脉冲激光能量作用于靶材中心区域，作用时长为2.5s。实时采集输出激光能量作用于靶材激发的声发射信号并绘制动态波形如图4所示。提取出激光作用时长内激光声发射事件的平均振铃计数和正峰均值，以正峰均值为X轴，平均振铃计数为Y轴，绘制正峰均值-平均振铃计数特征分布图如图5所示。计算散点X轴坐标平均值X0＝0.646，Y轴坐标平均值Y0＝28.14，得到的位置(0.646，28.14)为散点群重心。根据散点分布计算聚集度因子为5.194。
由图5所示正峰均值-平均振铃计数特征分布图可以看出，散点分布较发散，聚集度因子较大，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性较差。
比较上述实施例的结果表明，实施例1脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性好于实施例2，利用本发明所述方法可以较为准确快捷地实现对脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测和评估。

Claims (4)

1.一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法，所述方法利用实时检测激光器输出激光束冲击靶材产生的声发射能量释放特征，实现对激光能量输出稳定性的评估；所述方法的步骤如下：
(1)安装声发射传感器于靶材上，且正对靶材中心位置；
(2)对靶材进行循环冷却；
(3)将激光器输出激光能量作用于靶材中心位置；
(4)实时采集输出激光能量作用于靶材激发的声发射信号，并绘制出信号的动态波形图；
(5)关停激光能量输出，并停止声发射信号在线检测；
(6)由声发射信号动态波形提取出每个脉冲激光声发射事件的平均振铃计数和正峰均值；
(7)以正峰均值为X轴，以平均振铃计数为Y轴，绘制正峰均值-平均振铃计数特征分布图；
(8)计算散点X轴坐标平均值X0和Y轴坐标平均值Y0，得到的位置(X0，Y0)作为散点群重心；
(9)计算各散点与散点群重心的间距值；
(10)统计间距值的标准差，作为聚集度指标，即聚集度因子，判断激光能量输出稳定性。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法，其特征在于，判断脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的方法为：
(1)正峰均值-平均振铃计数特征分布图中的散点分布越集中，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性越好；
(2)聚集度因子越小，脉冲激光器输出脉冲能量的稳定性越好。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法，其特征在于，所述步骤(1)的靶材材料为紫铜。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法，其特征在于，所述循环冷却是采用循环水冷机，在靶材内部加工冷却水通孔，与循环水冷机的循环水管路接通进行冷却。
CN201610369599.5A 2016-05-30 2016-05-30 一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法 Active CN105790046B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610369599.5A CN105790046B (zh) 2016-05-30 2016-05-30 一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610369599.5A CN105790046B (zh) 2016-05-30 2016-05-30 一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105790046A true CN105790046A (zh) 2016-07-20
CN105790046B CN105790046B (zh) 2018-08-28

Family

ID=56375379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610369599.5A Active CN105790046B (zh) 2016-05-30 2016-05-30 一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105790046B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107597737A (zh) * 2017-10-26 2018-01-19 张家港清研再制造产业研究院有限公司 一种激光清洗过程实时监测方法
CN109638616A (zh) * 2018-12-11 2019-04-16 杭州奕力科技有限公司 基于光纤色散波光孤子的超短脉冲能量稳定性测量装置
CN109696690A (zh) * 2019-01-25 2019-04-30 上海炬佑智能科技有限公司 飞行时间传感器及其发光检测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03276034A (ja) * 1990-03-27 1991-12-06 Rikagaku Kenkyusho 光音響式ビーム位置検出方法
WO2004020986A1 (en) * 2002-08-29 2004-03-11 The Regents Of The University Of Michigan Acoustic monitoring method and system
CN103675103A (zh) * 2013-10-15 2014-03-26 重庆理工大学 一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法
CN103718395A (zh) * 2011-07-29 2014-04-09 富士胶片株式会社 激光光源单元、激光光源单元的控制方法、光声图像生成装置及方法
CN104808208A (zh) * 2015-04-16 2015-07-29 浙江大学 一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03276034A (ja) * 1990-03-27 1991-12-06 Rikagaku Kenkyusho 光音響式ビーム位置検出方法
WO2004020986A1 (en) * 2002-08-29 2004-03-11 The Regents Of The University Of Michigan Acoustic monitoring method and system
CN103718395A (zh) * 2011-07-29 2014-04-09 富士胶片株式会社 激光光源单元、激光光源单元的控制方法、光声图像生成装置及方法
CN103675103A (zh) * 2013-10-15 2014-03-26 重庆理工大学 一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法
CN104808208A (zh) * 2015-04-16 2015-07-29 浙江大学 一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘宝铭: "激光切割声音信号监测技术的研究", 《万方数据学位论文数据库》 *
罗怡 等: "电阻点焊熔核形核信息的声发射信号表征", 《焊接学报》 *
罗怡 等: "铝合金脉冲 MIG 焊接熔滴过渡行为的声发射信号时频域表征", 《焊接学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107597737A (zh) * 2017-10-26 2018-01-19 张家港清研再制造产业研究院有限公司 一种激光清洗过程实时监测方法
CN109638616A (zh) * 2018-12-11 2019-04-16 杭州奕力科技有限公司 基于光纤色散波光孤子的超短脉冲能量稳定性测量装置
CN109696690A (zh) * 2019-01-25 2019-04-30 上海炬佑智能科技有限公司 飞行时间传感器及其发光检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105790046B (zh) 2018-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105790046A (zh) 一种脉冲激光器输出脉冲能量稳定性的检测与评估方法
CN109940305A (zh) 基于等离子体电信号的激光深熔焊智能监测系统及方法
CN102841135B (zh) 基于金属磁记忆检测技术的焊接裂纹扩展过程的表征方法
CN103499579B (zh) 激光焊接质量快速无损检测方法
CN202092997U (zh) 自然缺陷焊接试块
CN204758470U (zh) 一种激光超声检测装置
CN103464906A (zh) 激光焊接质量在线检测方法
Luo et al. Monitoring of laser welding using source localization and tracking processing by microphone array
CN109557172B (zh) 用于磁粉检测深度测试的试块及测试方法
CN103586593A (zh) 一种异种钢焊接冷裂敏感性预测方法
CN101905380A (zh) 一种确定薄板全熔透激光焊工艺参数的方法
CN109239081A (zh) 基于结构光与视觉成像的焊缝质量参数检测方法
CN114894361B (zh) 基于跨点频响阻尼特性的金属构件残余应力定量检测方法
CN106001563A (zh) 具有无损探伤功能的3d打印设备
CN103487136B (zh) 一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测焊接喷溅的方法
Quintana et al. Mechanistic models for the forces in FSW of aluminum alloy 5052-H34
Chen et al. Study on the effect of laser-induced plasma plume on penetration in fiber laser welding under subatmospheric pressure
CN104007182B (zh) 一种利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法
CN103675103B (zh) 一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法
CN108375581A (zh) 基于声光信号监测的双光束激光焊接过程缺陷控制方法
CN104777191A (zh) 一种基于热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测方法
Sheng et al. Online detection method of weld penetration based on molten pool morphology and metallic vapor radiation for fiber laser welding
Keuntje et al. Macroscopic simulation model for laser cutting of carbon fibre reinforced plastics
CN103994821B (zh) 一种利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法
Zhang et al. Multisensory data fusion technique and its application to welding process monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant