CN115533302A - 同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置及方法，属于焊接质量控制领域。装置是由分光器、激励器、接收器、控制线缆、信号线缆及主机构成。在焊接过程中，以激光焊接设备的光源作为超声导波的激励及接收光源，在一套激光源的作用下，通过特定的光控与传感手段，实现了单光源条件下同时激光焊接、超声激励、超声接收功能，从而达到激光焊过程熔透状态的实时监测目的。装置具有设备结构简单、无需耦合、超声检测调节灵活等优点，可实现激光焊过程的实时监测与质量评价，从而保证焊接质量达到设计及工艺要求。

Description

同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接质量控制领域，特别涉及装备制造过程中结构件焊接技术领域的一种激光焊搭接接头熔透状态实时监测技术，尤指一种同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置及方法。

背景技术

激光焊作为一种高效、高质量的焊接方法广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通等装备制造领域。激光深熔焊过程中，材料表面在激光的加热作用下被迅速蒸发、汽化，并在激光束照射点处形成一个小孔，其周围的金属材料在小孔吸热的作用下熔化，凝固后形成焊缝。为达到较好的焊接质量，激光小孔的几何形态及其稳定性一直是激光焊过程的核心控制对象。

在大多数激光深熔焊工艺中，焊缝的熔深（或熔透）是保证良好焊接质量的前提。目前，激光焊过程的在线监测大多采用间接监测方法，即使用各种传感器对激光焊过程中的声音、等离子体光强等物理量进行拾取，并建立一定的评价算法对焊接熔深进行推测。此类方法在监测准确性、效率等方面存在较大不足，而采用超声的手段直接检测熔池内部的几何尺寸则成为现阶段的技术热点。但是，由于焊接速度快，激光焊过程在线超声检测技术急需解决超声探头的同步跟随、声波耦合等问题，技术难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置及方法，旨在解决现有激光焊过程监测技术中熔深评价准确性低、效率低及适应性差等问题。本发明以激光焊接设备的光源作为超声导波的激励及接收光源，在一套激光源的作用下，通过特定的光控与传感手段，同时实现激光焊接、超声激励、超声接收功能，从而达到激光焊过程熔透状态的实时监测。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置，以激光焊接设备的光源作为单一光源，通过分光器1、激励器2、接收器3将单一光源分割为焊接、超声激励、超声接收三个功能性激光束，同时实现激光焊接、超声激励、超声接收，从而达到激光焊过程熔透状态的实时监测的目的；包括分光器1、激励器2、接收器3、控制线缆4、信号线缆5及主机6，所述分光器1通过上端的法兰串联安装至激光焊设备的主光路上，下端指向焊接工件表面，激励器2、接收器3分别悬挂安装在分光器1两侧；焊接设备激光器所产生的激光束进入分光器1后，经分束镜组12分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接激光束经下方的焊接镜组15进行准直、调焦等光学调节，照射在工件表面实施焊接；主机6通过控制线缆4、信号线缆5分别与激励器2和接收器3连接，对超声的激励及接收进行调节及控制。

所述的分光器1由腔体一11、分束镜组12、激励反光镜13、检测反光镜14和焊接镜组15构成。分束镜组12位于腔体一11内部上方的进光口端，负责激光束能量及路径的分配与控制，将主激光束分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接镜组15位于腔体一11内部下方的出光口端，对焊接激光束进行聚焦调节，照射在工件表面实施焊接；激励反光镜13、检测反光镜14分别位于腔体一11内部的左右两侧位置，负责对激励激光束与检测激光束进行角度偏转，控制其分别进入激励器2、接收器3内部。

所述的激励器2由腔体二21、光开关22、反光镜23和调节镜组24构成。光开关22位于腔体二21内部右侧的进光口端，负责对激励激光束进行脉冲调制；反光镜23位于腔体二21内部中心位置，负责对激励激光束进行角度偏转；调节镜组24位于腔体二21内部下方的出光口端，负责对激励激光束进行调焦，控制激励激光束照射工件表面激发超声波。

所述的接收器3由腔体三31、分束镜组32、感光元件33及调节镜组34构成。分束镜组32位于腔体三31内部的中心位置，负责将检测激光束继续分割为测量激光束和参考激光束。检测激光束向下照射在工件表面，参考激光束横向传播照射在感光元件33上。调节镜组34位于腔体三31内部下方的出光口端，负责测量激光束和参考激光束的调焦；感光元件33位于腔体三31内部右侧端部，接收测量激光束和参考激光束干涉后的激光束。

本发明的另一目的在于提供一种同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测方法，焊接过程中，分光器1通过上端的法兰串联安装至激光焊设备的主光路上，下端指向焊接工件表面，激励器2、接收器3分别悬挂安装在分光器1两侧；焊接设备激光器所产生的激光束进入分光器1后，经分束镜组12分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接激光束经下方的焊接镜组15进行准直、调焦等光学调节，照射在工件表面实施焊接；

激励激光束通过激励反光镜13进入激励器2，在激励器2的光开关22、反光镜23和调节镜组24的调控下形成固定频率的激光脉冲，照射在焊缝一侧的焊接工件表面构成激励点并激发出超声波；激励点所产生的超声波在板材内形成导波，并沿板材传播至焊缝，越过焊缝向另一侧传播，在板材表面产生相应的微观振动；

检测激光束通过检测反光镜14进入接收器3，通过接收器3内的分束镜组32继续分割为测量激光束和参考激光束；测量激光束通过调节镜组34照射在焊缝另一侧的工件表面上构成检测点，并产生反射；反射光束重新进入接收器3，与参考激光束发生干涉后形成新的激光束照射在感光元件33上；接收器3通过光干涉法测量检测点的表面振动，并将其转换为电信号，最终由主机6进行信号处理，对焊接过程的熔深或熔透状态进行评估。

在进行激光焊的实时监测过程中，主机6通过控制光开关22的通断，使得激励激光束以脉冲的形式对工件表面的激励点进行照射，从而产生具有固定重复频率的脉冲超声波；每个超声波脉冲都会在当前激励位置形成一次超声导波传播过程，传播路径为激励点-焊缝区-检测点；每个超声导波的产生、传播、接收过程均代表完成一次焊缝此位置的熔深检测；根据检测需求，设置不同的激励频率，从而实现焊缝长度方向上不同分辨率的检测效果。

本发明的有益效果在于：本发明以激光焊设备的激光源作为单一光源，通过特殊的分光调节及控制，实现了单光源条件下焊接、激光超声激励、激光超声接收的同步加工检测功能，具有设备结构简单、无需耦合、超声检测调节灵活等优点，可实现激光焊过程的实时监测与质量评价，从而保证焊接质量达到设计及工艺要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的同光源式激光超声导波焊接熔透实时监测装置结构示意图；

图2为本发明的分光器、激励器、接收器的结构示意图；

图3为本发明的同光源式激光超声导波检测原理示意图；

图4为本发明的分光器、激励器、接收器的工作原理示意图；

图5至图8为本发明的激光焊熔深超声导波检测信号示意图；

图9、图10为本发明的激光焊熔深超声导波检测纵向分辨率控制示意图。

图中：1、分光器；2、激励器；3、接收器；4、控制线缆；5、信号线缆；6、主机；11、腔体一；12、分束镜组；13、激励反光镜；14、检测反光镜；15、焊接镜组；21、腔体二；22、光开关；23、反光镜；24、调节镜组；31、腔体三；32、分束镜组；33、感光元件；34、调节镜组。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图10所示，本发明的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置及方法，装置是由分光器、激励器、接收器、控制线缆、信号线缆及主机构成。在焊接过程中，以激光焊接设备的光源作为超声导波的激励及接收光源，在一套激光源的作用下，通过特定的光控与传感手段，实现了单光源条件下同时激光焊接、超声激励、超声接收功能，从而达到激光焊过程熔透状态的实时监测目的。装置具有设备结构简单、无需耦合、超声检测调节灵活等优点，可实现激光焊过程的实时监测与质量评价，从而保证焊接质量达到设计及工艺要求。

参见图1及图2所示，本发明的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置，包括分光器1、激励器2、接收器3、控制线缆4、信号线缆5及主机6。分光器1由腔体一11、分束镜组12、激励反光镜13、检测反光镜14和焊接镜组15构成，分束镜组12负责激光束能量及路径的分配与控制，将主激光束分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接激光束经下方的焊接镜组15进行调节，照射在工件表面实施焊接。激励器2由腔体二21、光开关22、反光镜23和调节镜组24构成，负责将激励激光束进行脉冲调制及调焦，控制激励激光束照射工件表面激发超声波。接收器3由腔体三31、分束镜组32、感光元件33及调节镜组34构成，负责将检测激光束继续分割为测量激光束和参考激光束，并通过光干涉法测量工件表面由于超声波所引起的微观振动，进行超声波的声-光-电转换，从而最终完成超声波的实时检测。主机6通过控制线缆4、信号线缆5分别与激励器2和接收器3连接，对超声的激励及接收进行调节及控制。

参见图1及图2所示，本发明的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测方法，焊接过程中，分光器1通过上端的法兰串联安装至激光焊设备的主光路上，下端指向焊接工件表面，激励器2、接收器3分别悬挂安装在分光器1两侧。焊接设备激光器所产生的激光束进入分光器1后，经分束镜组12分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束。焊接激光束经下方的焊接镜组15进行准直、调焦等光学调节，照射在工件表面实施焊接。

激励激光束通过激励反光镜13进入激励器2，在激励器2的光开关22、反光镜23和调节镜组24的调控下形成固定频率的激光脉冲，照射在焊缝一侧的焊接工件表面（激励点）并激发出超声波。激励点所产生的超声波在板材内形成导波，并沿板材传播至焊缝，并越过焊缝向另一侧传播，在板材表面产生相应的微观振动。

检测激光束通过检测反光镜14进入接收器3，通过接收器3内的分束镜组32继续分割为测量激光束和参考激光束。测量激光束通过调节镜组34照射在焊缝另一侧的工件表面上（检测点），并产生反射。反射光束重新进入接收器3，与参考激光束发生干涉后形成新的激光束照射在感光元件33上。接收器3通过光干涉法测量检测点的表面振动，并将其转换为电信号（超声导波检测信号），最终由主机6进行信号处理，对焊接过程的熔深（熔透）状态进行评估。

在超声导波的传播路径上，焊缝熔池作为“缺陷”对声波的声压产生影响，不同的熔深状态对应不同的超声导波声压峰值。参见图5至图8所示，主机6按照超声导波声压-熔深的对应关系，根据检测到的导波信号特征值对当前时刻的焊缝熔透状态进行实时计算与评价，从而实现激光焊熔透状态实时监测。

在进行激光焊的实时监测过程中，主机6通过控制光开关22的通断，使得激励激光束以脉冲的形式对工件表面的激励点进行照射，从而产生具有固定重复频率的脉冲超声波。每个超声波脉冲都会在当前激励位置形成一次超声导波传播过程，传播路径为激励点-焊缝区-检测点。每个超声导波的产生、传播、接收过程均代表完成一次焊缝此位置的熔深检测。根据检测需求，可设置不同的激励频率，从而实现焊缝长度方向上不同分辨率的检测效果，如图9及图10所示。

实施例1：

下面以SUS301L不锈钢激光搭接焊熔透监测为例进行说明：

（1）、接头型式为非熔透型搭接接头，板厚组合为2mm+2mm。激光功率1.2kW，激光波长1065nm，焊接速度50mm/s。激励器2输出的激励激光束能量密度为1×10⁶W/cm²，光斑直径0.5mm，光脉冲宽度100ns，光脉冲重复频率1KHz。

（2）、开始监测后，激励器2在主机6的控制下按照1KHz的重复频率在工件表面激发出超声波，此超声波在板材上下表面不断的反射、折射及波形转换并形成导波。超声导波在板材内向四周传播，当其经过焊接激光束斑点（小孔）位置时，小孔的存在会对导波产生影响（反射、折射和衰减）。接收器3采用光干涉法连续测量检测点的微观振动，并将其转换为电信号（超声导波检测信号），最终由主机6进行信号处理，对焊接过程的熔深（熔透）状态进行评估。

（3）、在本实例所述的正常工艺条件下，当系统按照1KHz的重复频率进行超声导波的激励与接收时，在当前焊接速度条件下可以实现焊缝长度方向上每0.05mm一次的超声检测，具有极高的检测效率以及实时性。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置，其特征在于：以激光焊接设备的光源作为单一光源，通过分光器（1）、激励器（2）、接收器（3）将单一光源分割为焊接、超声激励、超声接收三个功能性激光束，同时实现激光焊接、超声激励、超声接收，从而达到激光焊过程熔透状态的实时监测的目的；包括分光器（1）、激励器（2）、接收器（3）、控制线缆（4）、信号线缆（5）及主机6，所述分光器（1）通过上端的法兰串联安装至激光焊设备的主光路上，下端指向焊接工件表面，激励器（2）、接收器（3）分别悬挂安装在分光器（1）两侧；焊接设备激光器所产生的激光束进入分光器（1）后，经分束镜组（12）分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接激光束经下方的焊接镜组（15）进行光学调节，照射在工件表面实施焊接；主机（6）通过控制线缆（4）、信号线缆（5）分别与激励器（2）和接收器（3）连接，对超声的激励及接收进行调节及控制。

2.根据权利要求1所述的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置，其特征在于：所述的分光器（1）由腔体一（11）、分束镜组（12）、激励反光镜（13）、检测反光镜（14）和焊接镜组（15）构成，分束镜组（12）位于腔体一（11）内部上方的进光口端，负责激光束能量及路径的分配与控制，将主激光束分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接镜组（15）位于腔体一（11）内部下方的出光口端，对焊接激光束进行聚焦调节，照射在工件表面实施焊接；激励反光镜（13）、检测反光镜（14）分别位于腔体一（11）内部的左右两侧位置，负责对激励激光束与检测激光束进行角度偏转，控制其分别进入激励器（2）、接收器（3）内部。

3.根据权利要求1所述的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置，其特征在于：所述的激励器（2）由腔体二（21）、光开关（22）、反光镜（23）和调节镜组（24）构成，光开关（22）位于腔体二（21）内部右侧的进光口端，负责对激励激光束进行脉冲调制；反光镜（23）位于腔体二（21）内部中心位置，负责对激励激光束进行角度偏转；调节镜组（24）位于腔体二（21）内部下方的出光口端，负责对激励激光束进行调焦，控制激励激光束照射工件表面激发超声波。

4.根据权利要求1所述的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测装置，其特征在于：所述的接收器（3）由腔体三（31）、分束镜组（32）、感光元件（33）及调节镜组（34）构成，分束镜组（32）位于腔体三（31）内部的中心位置，负责将检测激光束继续分割为测量激光束和参考激光束；检测激光束向下照射在工件表面，参考激光束横向传播照射在感光元件（33）上；调节镜组（34）位于腔体三（31）内部下方的出光口端，负责测量激光束和参考激光束的调焦；感光元件（33）位于腔体三（31）内部右侧端部，接收测量激光束和参考激光束干涉后的激光束。

5.一种同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测方法，其特征在于：焊接过程中，分光器（1）通过上端的法兰串联安装至激光焊设备的主光路上，下端指向焊接工件表面，激励器（2）、接收器（3）分别悬挂安装在分光器（1）两侧；焊接设备激光器所产生的激光束进入分光器（1）后，经分束镜组（12）分割为焊接激光束、激励激光束与检测激光束；焊接激光束经下方的焊接镜组（15）进行光学调节，照射在工件表面实施焊接；

激励激光束通过激励反光镜（13）进入激励器（2），在激励器（2）的光开关（22）、反光镜（23）和调节镜组（24)的调控下形成固定频率的激光脉冲，照射在焊缝一侧的焊接工件表面构成激励点并激发出超声波；激励点所产生的超声波在板材内形成导波，并沿板材传播至焊缝，越过焊缝向另一侧传播，在板材表面产生相应的微观振动；

检测激光束通过检测反光镜（14）进入接收器（3），通过接收器（3）内的分束镜组（32）继续分割为测量激光束和参考激光束；测量激光束通过调节镜组（34）照射在焊缝另一侧的工件表面上构成检测点，并产生反射；反射光束重新进入接收器（3），与参考激光束发生干涉后形成新的激光束照射在感光元件（33）上；接收器（3）通过光干涉法测量检测点的表面振动，并将其转换为电信号，最终由主机（6）进行信号处理，对焊接过程的熔深或熔透状态进行评估。

6.根据权利要求5所述的同光源式激光超声导波焊接熔透状态实时监测方法，其特征在于：在进行激光焊的实时监测过程中，主机（6）通过控制光开关（22）的通断，使得激励激光束以脉冲的形式对工件表面的激励点进行照射，从而产生具有固定重复频率的脉冲超声波；每个超声波脉冲都会在当前激励位置形成一次超声导波传播过程，传播路径为激励点-焊缝区-检测点；每个超声导波的产生、传播、接收过程均代表完成一次焊缝此位置的熔深检测；根据检测需求，设置不同的激励频率，从而实现焊缝长度方向上不同分辨率的检测效果。

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