CN114453731A - 一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法 - Google Patents
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Abstract
一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法，属于激光材料加工领域。本发明的特征为：采用外加电弧等离子体改变激光深熔焊接小孔内喷发羽辉的发光特征和烧除羽辉中的微粒，并使用照明激光辐照焊接熔池，高速摄像机镜头前面配置与照明激光波长一致的带通滤波片与光强衰减片直接观测熔池中的激光作用区。激光焊接过程中的能量耦合过程、焊接缺陷的产生均与激光作用区的动态行为直接相关。使用该方法能够直接清晰观察激光作用区的动态行为，有望建立该动态行为与焊接缺陷产生过程的对应关系，实现激光智能制造中焊接过程质量的准确监测。此外，本发明具有系统结构简单、易于操作、成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法，属于激光材料加工领域。
背景技术
焊接在制造业中广泛应用，经历了从早期的气焊、电弧焊到现在的等离子、电子束、激光束为代表的高能束流焊接的发展过程。与其它技术相比激光深熔焊接具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊后板材热变形小、焊接速度快、加工柔性好、易于实现自动化控制、可焊材质种类范围大等显著优势。因此激光深熔焊接技术广泛的应用与汽车整车及零部件、轨道交通、航空航天、医疗器械等行业中。
激光深熔焊接时，激光束作用于材料表面，使其经历了加热、熔化、剧烈蒸发、然后熔池在金属蒸汽反冲压力作用下向下凹陷形成深熔小孔的过程。激光焊接中，激光束直接作用于小孔前壁。小孔前壁对入射激光的一次吸收决定了焊接深度。小孔前壁激光致蒸发蒸汽的喷发挤压小孔前壁及冲击小孔后壁熔池，是形成飞溅、驼峰和焊缝表面成形差的主要原因。因此，直接观察小孔前壁(即激光作用区)的动态行为，有望建立激光作用区的动态行为与焊接缺陷产生过程的对应关系，实现激光智能制造中焊接过程质量的准确监测。目前对深熔小孔的观测通常采用高速摄像机与照明激光相结合的方式进行观测。然而，激光焊接小孔内喷发羽辉的光强很高、波长范围较广，且羽辉中存在大量微粒，采用该方法进行观察，羽辉的存在极易干扰对小孔口的准确观察。
为了克服上述局限性，本发明提供了一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法。采用外加电弧等离子体改变激光深熔焊接小孔内喷发羽辉的发光特征和烧除羽辉中的微粒。主要是电离金属蒸汽从而达到提高温度和改变辐射光波波长范围的目的并烧除激光作用区附近的大量微粒，降低它对观察过程的干扰。由于激光焊接中的能量耦合过程、焊接缺陷的产生均与激光作用区的动态行为直接相关，直接清晰观察激光作用区的动态行为，有望建立该动态行为与焊接缺陷产生过程的对应关系，实现激光智能制造中焊接过程质量的准确监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法。激光焊接时，采用外加电弧等离子体改变激光深熔焊接小孔内喷发羽辉的发光特征和烧除羽辉中的微粒，并使用照明激光辐照熔池，高速摄像机镜头前面配置有与照明激光波长一致的带通滤波片与相应透光率的衰减片观测光斑作用区。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：照明激光的波长在100nm～1000nm；功率为0.1W～100W；高速摄像与焊接板材的夹角为15°～90°；焊接时，外加电弧与焊接激光束的夹角为15°～70°；外加电弧与焊接激光束之间的垂直距离为1mm～5mm；外加电弧到焊接母材的距离为1mm～3mm；外加电弧功率为500W～3000W；焊接用激光器的波长在0.1μm～20μm，功率在0.5kW～500kW；高速摄像前端配置带通滤波片与衰减片，带通滤波片的中心波长与照明光的波长一致，其带宽为1nm～20nm；衰减片的透光率为0.01％～50％。
为实现上述目的，本发明采用的高功率激光束可以为光纤激光器、碟片激光器、半导体激光、绿光激光器、蓝光激光器或Nd-YAG激光器；焊接时，激光束可以是负离焦、离离焦或正离焦；激光的出光模式为脉冲出光或者连续出光。外加的电弧等离子体为TIG电弧、MIG电弧或等离子弧。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明是直接观察激光焊接中光斑作用区的动态行为，一方面，相较于现有的观察激光作用区的方式，本发明采用外加电弧等离子体的方式，能够改变焊接时深熔小孔内激光致蒸汽的发光特征并烧除羽辉中的微粒，降低其对观察结果的干扰；另一方面，本发明使用窄带滤波片与衰减片组合的方式，能够更加有效的过滤进入高速摄像的光线，采集到清晰的激光作用区图像。此外，本发明具有系统结构简单、易于操作、不受激光功率波动影响、成本低廉等优点。
附图说明
图1为观察光斑作用区的结构示意图；
图2为不同激光功率时观测的光斑作用区形貌；
图中，1.照明激光束，2.激光束，3.电弧热源，4.高速摄像机，5.光强衰减片，6.窄带滤波片，7.焊接方向，8.电弧等离子体，9.板材，10.小孔口，11.焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
本实施例中，基材为板厚10mm的低碳钢，表面磨削处理，焊接前使用丙酮擦拭表面。采用的激光器为IPG YLS 6kW光纤激光器。使用YC-315TX直流TIG焊机电离激光致金属蒸汽，提高温度和改变其发光颜色降低对观察结果的干扰。焊接时，外加电弧与焊接激光束的夹角为45°；外加电弧与焊接激光束之间的垂直距离为2mm；外加电弧到焊接母材的距离为2mm；加工参数分别为：光纤激光器功率为500W、1000W、1500W、2000W、2500W、3000W、5000W，零离焦；TIG电弧采用直流正接，焊接电流为150A；照明激光使用中心波长为808nm的半导体激光器，照明功率为10W；高速摄像与板材的夹角为60°，采集帧率为10000f/s；光强衰减片透过率为25％；焊接速度2m/min。改变激光功率进行焊接，观察结果如图2所示。可见在不同的激光焊接功率下都可以清晰观察到激光焊接中的光斑作用区。随着激光功率的增加，小孔口逐渐发生畸变，熔池波动越为剧烈。实验说明，采用附加热源改变孔内激光致蒸汽的发光特征，能够有效的减少辐射光波对观察结果的干扰，能够清晰的观察到光斑作用区的动态行为。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法，其特征在于：激光焊接时，采用外加电弧等离子体改变激光深熔焊接小孔内喷发羽辉的发光特征和烧除羽辉中的微粒，并使用照明激光辐照焊接熔池，高速摄像机镜头前面配置有与照明激光波长一致的带通滤波片与相应的衰减片观测熔池中的光斑作用区；
焊接时外加电弧与焊接激光束的夹角为15°～70°；外加电弧与焊接激光束之间的垂直距离为1mm～5mm；外加电弧到焊接母材的距离为1mm～3mm；外加电弧功率为500W～3000W。
2.根据权利要求1所述的一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法，其特征在于：所述照明激光的波长在100nm～1000nm；功率为0.1W～100W；高速摄像与焊接板材的夹角为15°～90°；带通滤波片的带宽为1nm～20nm；衰减片的透光率为0.01％～50％。
3.根据权利要求1所述的一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法，其特征在于：所述的激光器类型为光纤激光器、碟片激光器、半导体激光、绿光激光器、蓝光激光器或Nd-YAG激光器。
4.根据权利要求1所述的一种直接观察激光焊接中光斑作用区动态行为的方法，其特征在于：所述的外加电弧等离子体为TIG电弧、MIG电弧或等离子弧。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2002239767A (ja) * | 2001-02-15 | 2002-08-28 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | レーザ加工モニタリング装置および照明装置 |
| CN107350653A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-17 | 北京工业大学 | 激光焊接羽辉控制和熔池保护方法及装置 |
| CN108817670A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-16 | 北京工业大学 | 一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法 |
| CN212470181U (zh) * | 2020-07-22 | 2021-02-05 | 上海市激光技术研究所 | 一种用于激光深熔焊缺陷的检测装置 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002239767A (ja) * | 2001-02-15 | 2002-08-28 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | レーザ加工モニタリング装置および照明装置 |
| CN107350653A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-17 | 北京工业大学 | 激光焊接羽辉控制和熔池保护方法及装置 |
| CN108817670A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-16 | 北京工业大学 | 一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法 |
| CN212470181U (zh) * | 2020-07-22 | 2021-02-05 | 上海市激光技术研究所 | 一种用于激光深熔焊缺陷的检测装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王军: ""铝合金光纤激光及其复合焊接的等离子体行为与工艺研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, no. 7, pages 022 - 21 * |
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