CN114544443A - 一种原位测量激光焊接羽辉中微粒速度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种原位测量激光焊接羽辉中微粒运动速度的方法，属于激光焊接技术领域。本发明的特征在于：在激光焊接中，探测激光束穿过羽辉后，部分光被羽辉中微粒反射回探测激光腔内产生自混合效应。根据探测激光器的电压自混合干涉信号，可获得被测微粒的尺寸和微粒经过探测激光斑的信号时间，利用被测微粒尺寸与信号时间之比即可为微粒的运动速度。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运动速度等特征。

Description

一种原位测量激光焊接羽辉中微粒速度的方法
技术领域
本发明涉及一种羽辉中微粒的速度的测量方法，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速度的方法。
背景技术
焊接是制造业的基础工艺.在焊接领域，激光深熔焊接技术因其焊接质量好、焊接速度快、自动化程度高等优点，被认为是21世纪最具发展前景的先进连接技术之一。随着制造业的发展，近年来激光深熔焊接技术呈现出智能化的发展趋势。羽辉是波长1μm量级激光深熔焊接过程中固有的物理现象。在智能激光焊接过程的质量监测环节中，羽辉的动态行为是获取过程信息的主要特征之一。因此，研究1μm激光深熔焊接羽辉的动态行为，对实现智能激光焊接技术等方面具有重要意义。
羽辉的动态行为与焊接缺陷的产生密切相关。一方面，羽辉的动态行为对焊接过程的稳定性具有明显的负面影响。另一方面，羽辉的动态行为是产生焊接缺陷的外在表现形式。根据羽辉的动态行为与焊接缺陷的关系，可发现通过监测羽辉的动态行为，有望建立采集的信号与焊接缺陷的对应关系。然而，1μm激光深熔焊接羽辉的动态行为(主要是羽辉中的气态部分)极易被强光、保护气流、真空环境等外部因素所影响。这将引入采集的过程信号容易失真的问题。现有的大量研究表明，1μm激光深熔焊接羽辉为金属蒸汽、微粒和环境气体组成的混合体。相较于羽辉中的气态部分，羽辉中的微粒更不易被强光、保护气流、真空环境等外部因素影响。因此，通过原位追踪羽辉中微粒的动态行为，有望更准确的表征羽辉的动态行为，故而有可能更准确地获取焊接过程信息。
近年来，有关波长1μm量级激光焊接羽辉中微粒的测量大多数为焊接过程中收集、焊后再测量的方式，比如金属板截断羽辉上升，真空抽吸收集羽辉微粒等方法。这些传统的测量方式显然不能实现羽辉中微粒尺寸的原位测量，更不能实现羽辉中微粒动态行为的原位追踪。有关羽辉动态行为的原位测量，主要是基于高速摄像观察获得的连续两帧照片中发光点的位置之差除以两帧照片的时间间隔，获得羽辉的运动速度。然而，羽辉的发光主要是气态部分发光；羽辉中微粒的直径在若干纳米至若干微米量级，这很难通过高速摄像的观察实现微粒尺寸或微粒运动速度的原位测量。
为了克服以上局限性，本发明提出了一种原位测量激光焊接羽辉中微粒运动速度的方法。当探测激光束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，通过测量和分析探测激光电压的变化规律，可获得微粒的尺寸和微粒在探测光斑中运动的时间，利用二者之比可实时获得羽辉中微粒的运动速度。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运动速度的方法，测量真实焊接状态下羽辉中微粒的速度等信息。相较于传统的高速摄像两帧位移法，能够实时进行测量，从而分析出羽辉粒子的速度和分布状态等信息。
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、激光焊接系统组成；在波长1μm量级激光焊接过程中，会产生严重的羽辉效应。根据探测激光器的电压自混合干涉信号，可获得被测微粒的尺寸和微粒经过探测激光斑的信号时间，利用被测微粒尺寸与信号时间之比即可为微粒的运动速度。
本发明原理如下：如图2所示，当一个粒子从A位置穿过激光探测区域到C位置，对于激光轴，外腔面(颗粒表面的照明和反射点)先从A向后移动到B，然后又从B向前移动到C，外腔长度变化量ΔLext值为粒子的两个半径长，即总共变化了一个粒子直径D＝2r，对应了N个探测激光电压信号干涉条纹。因此，粒子直径计算公式为：
Figure BDA0003511230390000021
λ是探测激光的波长。根据干涉条纹的对应时间t(即微粒引起的干涉条纹信号时间)，可得微粒的运动速度为：
Figure BDA0003511230390000031
式中d为微粒在探测激光光斑中运动轨迹的长度(通常取探测激光聚焦光斑直径)。通过电压信号的数据处理获得干涉条纹数N的数值和干涉条纹对应的时长t，再根据式(1)～(2)和探测激光的波长，即可算得颗粒的直径D和运动速度v。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：探测激光束与激光束之间的夹角为80°～90°；探测激光束与激光束之间的垂直距离为0mm至50mm；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。探测激光的波长为0.1μm～20μm；探测激光器的光斑直径为1μm～10μm。
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微粒的运动速度。相较于现有的测量羽辉运动速度的方式，本发明能够避免焊接环境对信息收集的影响，并区分飞溅颗粒和羽辉颗粒，获得实时的结果。同时，现有方法并不能实现羽辉中直径在微米量级或之下微粒运动的速度测量，本发明提出的方法可以实现这类微粒运动速度的原位测量。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：反馈式干涉测量法原位测量羽辉中粒子示意图
图3：实验得到的电压图
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1.31μm，焦距为30mm，激光功率为500mW；采用National Instruments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。获得图3中的信号条纹N＝4，根据式(1)，可算得微粒的直径为2.62μm。根据图3，获得微粒诱发的干涉条纹宽度(即发生干涉效应的时间)为0.0695ms。忽略探测激光的光斑直径d，利用公式(2)，可算得针尖的运动速度为38mm/s。
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运动速度的方法，其特征在于：在激光焊接中，探测激光束穿过羽辉后，部分光被羽辉中微粒反射回探测激光腔内产生自混合效应；
通过电压信号的数据处理获得干涉条纹数N的数值和干涉条纹对应的时长t，以及探测激光的波长，算得颗粒的直径D和运动速度v；
具体如下：
Figure FDA0003511230380000011
λ是探测激光的波长；根据干涉条纹的对应时间t，即微粒引起的干涉条纹信号时间，得微粒的运动速度为：
Figure FDA0003511230380000012
式中d为微粒在探测激光光斑中运动轨迹的长度，取探测激光聚焦光斑直径。
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运动速度的方法，其特征在于：探测激光束与激光束间的夹角为80°～90°；探测激光与激光束之间的垂直距离为0mm至50mm；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。
3.如权利要求1所述的一种原位测量激光焊接羽辉中微粒运动速度的方法，其特征在于：探测激光的波长为0.1μm～20μm；探测激光束的聚焦光斑直径为1μm～10μm。
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