CN111398103A - 一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量方法属于激光焊接领域。其特征在于：两块透明板材以一定间距组成“三明治”模型并置于被焊接板材上方，激光束穿过“三明治”模型的中间空隙焊接板材；利用“三明治”模型约束焊接空间中的微粒，使激光束范围内的待测区域显露出来；探测系统的探测光通过透明材料穿过激光束，部分探测光被光束内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，可以得到焊接激光束内微粒的尺寸、数量、速度等信息。本发明具有系统结构简单、易于操作、不受探测激光功率波动影响、成本低廉等优点，能够原位实时测量焊接过程中激光束内不同高度处微粒的尺寸和速度。

Description

一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的 测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的测量方法，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的测量方法。
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，光束内的羽辉微粒对激光的影响是羽辉影响激光焊接过程的根本原因，研究光束内羽辉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，特别是有关光束内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。这种方法收集到的微粒是焊接空间中羽辉的微粒，并不是直接对激光产生影响的光束内的羽辉微粒。
为了克服上述局限性，本发明提出了一种光束内羽辉微粒的测量方法。利用“三明治”模型约束焊接空间中的羽辉，使焊接激光束范围内的待测区域显露出来；探测激光穿过焊接激光束内的羽辉后，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，可实时测量光束内羽辉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基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的测量方法，测量真实焊接状态下焊接激光束内羽辉微粒的特性行为，包括实际焊接状态下光束内羽辉中粒子尺寸、数量、速度等信息。该方法能够实时测量得到光束内羽辉粒子的真实分布状态和速度变化情况。
为实现上述目的，在波长1μm量级激光焊接过程中，利用两块透明板材以一定间距组成“三明治”模型并置于被焊接板材上方，激光束穿过“三明治”模型的中间空隙、并在空隙区域焊接板材。“三明治”模型约束焊接空间中的羽辉，使激光束范围内的待测区域显露出来。探测系统的探测光通过透明材料穿过激光束，部分探测光被光束内的微粒反射回探测激光腔内形成新的谐振。探测激光器与光电二极管集成，进行光电信号转换，经放大器后，由软件控制数据采集卡采集，再通过程序处理，得到表示功率随时间变化的电压图和频谱图。调整测量到的电压图形的幅值范围，直至电压图形中的波形完整清晰可读。最后通过读电压图中的波形周期可以得到焊接激光束内微粒的尺寸和数量，通过频谱图得到的微粒频移计算出微粒的速度。
一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量方法，其特征在于：两块透明板材以一定间距组成“三明治”模型并置于被焊接板材上方，激光束穿过“三明治”模型的中间空隙、并在空隙区域焊接板材；“三明治”模型约束焊接空间中的羽辉，使激光束范围内的待测区域显露出来；探测系统的探测光通过透明材料穿过激光束，部分探测光被光束内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，可以得到焊接激光束内微粒的尺寸、数量和速度。
两块透明板材组成的“三明治”系统中，两块透明材料位于激光束两侧，透明材料之间的垂直距离为0.5mm～10mm，透明板材之间的夹角在0°至10°之间；“三明治”模型的法线与焊接方向之间的夹角为0°至180°。
探测激光束沿“三明治”模型的板材的法线穿过焊接激光束中心；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1mm～100mm；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。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明是原位测量激光焊接过程中焊接激光束内羽辉中的微粒，现有方法根本不能实现焊接激光束内微粒的原位测量；本发明能够实时测量光束内羽辉中的微粒分布情况，如不同高度处光束内羽辉的微粒尺寸变化情况等。此外，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。
附图说明
图1：光束内羽辉微粒测量的实验方法示意图
图中各个附图标记的含义：1.光纤激光焊接羽辉，2.GG17玻璃，3.焊接试样，4.电源，5.探测激光(半导体激光器)，6.光电二极管，7.信号放大器，8.数据采集卡，9.电脑
图2：实施方式1的测量信号电压图
图3：实施方式1的测量信号电压放大图，红框位置可以得到所测的一个微粒的直径为650nm。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
实施方式1
图1是表示本发明实施方式1的基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量装置。图2是图1所示的实施方式1的测量信号电压图。
在图1中，两块GG17玻璃组成的“三明治”系统中，两块玻璃位于激光束两侧，玻璃之间的垂直距离为5mm。探测激光束沿“三明治”模型的板材的法线穿过焊接激光束中心；“三明治”模型的法线与焊接方向之间的夹角为90°；探测激光束与深熔小孔口的间距为5mm。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；激光器的输出功率在1kW。探测激光的波长为1.31μm；探测激光器的输出功率为500mW；探测激光束的直径为5mm。
此外，在以往例子中，测量得到的微粒均为空间中的羽辉微粒，无法区分出焊接激光束内的羽辉微粒。本发明能够实时测量光束内羽辉中的微粒分布情况，如不同高度处光束内羽辉的微粒尺寸变化情况等。此外，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。

Claims (4)

1.一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量方法，其特征在于：两块透明板材组成“三明治”模型并置于被焊接板材上方，激光束穿过“三明治”模型的中间空隙、并在空隙区域焊接板材；“三明治”模型约束焊接空间中的羽辉，使激光束范围内的待测区域显露出来；探测系统的探测光通过透明材料穿过激光束，部分探测光被光束内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，得到焊接激光束内微粒的尺寸、数量和速度；
两块透明板材组成的“三明治”系统中，两块透明材料位于激光束两侧，透明材料之间的垂直距离为0.5mm～10mm，透明板材之间的夹角在0°至10°之间；“三明治”模型的法线与焊接方向之间的夹角为0°至180°。
2.如权利要求1所述的一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量方法，其特征在于：探测激光束沿“三明治”模型的板材的法线穿过焊接激光束中心；探测激光束与深熔小孔口的间距为1mm～100mm。
3.如权利要求1所述的一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量方法，其特征在于：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。
4.如权利要求1所述的一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接光束内微粒的测量方法，其特征在于：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；激光器的输出功率在0.5kW～50kW。
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