CN111398107B - 一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法
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0.1mm～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。
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羽辉中的微粒，一方面，相较于现有测量羽辉中微粒的方式，本发明能够区分飞溅颗粒和羽辉颗粒，避免收集测量方法产生的人为误差，获得实时的结果；另一方面，本发明能够实时测量羽辉中的粒子分布情况，如不同高度处和水平方向上羽辉中粒子尺寸变化情况等，更加确切地反应羽辉的真实情况。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：原位测量羽辉中粒子的实验方法示意图
图中各个附图标记的含义：1.光纤激光焊接羽辉，2.焊接板材，3.半导体激光器电源，4.半导体激光器，5.光电二极管，6.信号放大器，7.数据采集卡，8.电脑
图2：三镜腔模型
图3：实验得到的电压图
图4：实验得到的频谱图
具体实施方式
本实验中，焊接板材为10mm厚的低碳钢，表面经磨削处理；采用IPG公司生产的型号为YLS-6000光纤激光器。加工参数为：扫描速度2m/min，激光功率为1kW，光斑直径为1.06mm，光斑作用在板材表面；采用西安澳威光电科技有限公司生产的半导体激光器，激光波长为1310nm，焦距为30mm，激光功率为500mW；采用NationalInstruments的型号为6361的数据采集卡进行数据采集，并用Labview软件调用Matlab程序进行处理，得到电压图和频谱图，通过读图得到羽辉中粒子尺寸和数量分布，计算得到速度变化情况。
为实现上述目的，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、焊件及焊接过程保护系统组成；在波长1μm量级激光焊接过程中，会产生严重的羽辉效应；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随时间的变化，可以算得羽辉中微粒的尺寸、数量、速度等信息。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。
本发明原理如下：探测激光器可以看作复合腔激光器，建立三镜腔模型描述这个系统。避开了光场与物质相互作用的细节和力学过程，即简单地认为在光场的作用下，电子发生受激跃迁并引起各能级上的其集居数密度发生变化，同时激励光场的光子总数或光子数密度亦发生相应的变化。如图2(a)所示，探测激光器由两个腔组成，一个是长度为Lc的激光腔，另一个是微粒到探测激光出射面的长度为Lext的外腔。该系统被建模为长度为Lc的单个腔，其具有等效的复振幅反射率req，如图2(b)所示。
在平移目标的情况下并且考虑到目标反射率rext非常小(即，rext<<r2)，等效反射率req可以表示为：
req＝r2[1+ξexp(jωDt+jΦD)] (1)
其中，ξ是耦合系数，ωD是由多普勒效应引起的角频移，c是真空中的光速，是激 光自由运行频率，VA是激光方向上的目标速度分量(VA＝V·sinθ)，j是虚数单位。ΦD是附加 相位项，是折射率n外腔内的外部往返延迟时间。
考虑到VA<<c，那么：
fD是由于多普勒效应引起的频移。因此忽略了外腔中的多次往返，考虑到激光条件和求解激光速率方程，输出功率可以推导为：
P＝P0[1+mcos(ωDt+ΦD)] (7)
其中P0是初始未受干扰的激光输出功率，m是调制指数：
忽略入射光子和粒子之间的多次相互作用(多次散射)，我们可以通过对每个粒子的后向散射贡献求和来计算等效腔反射率req'：
r'eq＝r2[1+∑iξiexp(jωDt+jΦD)] (9)
考虑ξi<<1，我们可以得到：
ξicos(ωDit+ΦDi)＜＜1 (13)
ξisin(ωDit+ΦDi)＜＜1
因此，等效反射率的绝对值可以推导为：
来自不同散射粒子的P'：
因此，激光输出功率P'由mi和ωDi确定，其分别与第i个粒子的激光方向VAi上的反射系数rexti和速度分量相关。
载流子的变化是的周期函数，周期为2π。载流子密度的变化对应了激光输出增益的变化，导致了输出光强度的变化。在ξi<<1的条件下，当/>变化2π时，对应移动一个干涉条纹，即外腔长变化半个激光光波波长时对应一个干涉条纹。其输出强度是外腔长度的周期函数,对应外腔长度的变化是ΔL＝λ/2，当靶面移动时，输出强度的峰值随半个共振周期移动。
因此，粒子直径计算公式为：
由此原理，通过Matlab编程使Labview输出表示探测激光电压变化的波形图，根据电压波形，从图中能够读出微粒的尺寸和数量。
多普勒频率表达式为：
f为发射源于该介质中的原始发射频率，C为光速；为接收端相对于介质的移动 速度；为发射源相对于介质的移动速度。
化简得到：
即：夹角θ为半导体激光器角度与垂直羽辉法线夹角，由此即可算出微粒运动速度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：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°；探测激光束距离深熔小孔口的距离为0.1mm～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；焊接激光器的输出功率在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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域内技术人员可以理解，本发明的保护范围并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，任何可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一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的间距为0.1mm-100mm；
探测激光器的输出功率为0.01mW-50W；
微粒直径计算公式为
通过Matlab编程使Labview输出表示探测激光电压变化的波形图，根据电压波形，从图中读出微粒数量；
多普勒频率表达式为
f为发射源于介质中的原始发射频率，C为光速，为接收端相对于介质的移动速度，为发射源相对于介质的移动速度；
微粒速度计算公式
其中，θ为半导体激光器角度与垂直羽辉法线夹角。
2.如权利要求1所述的一种原位测量激光焊接羽辉中微粒的方法，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；激光器的输出功率为0.5kW-50kW。
3.如权利要求1所述的一种原位测量激光焊接羽辉中粒子微粒的方法，其特征在于：探测激光的波长为0.1μm-20μm；探测激光束的直径为0.1mm-8mm。
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