CN115592263B - 圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光的强度控制及激光焊接技术领域，特别涉及一种圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，包括本体、调节杆、滑块、平顶锥镜和准直镜；平顶锥镜位于本体内的光源入射端且平顶锥镜固定在滑块上，滑块与调节杆通过螺纹连接，使得旋转调节杆能够调整平顶锥镜与激光源入射端的距离；准直镜位于本体内的平顶锥镜背离激光源入射端的方向，用于将经平顶锥镜处理后形成的点环光束调整为平行照射的点环光束。本发明用于锥形激光光源，可以产生内外环光束，能实现在焊接过程中外环起到加热与锁住匙孔溶液飞溅的作用，内环起到加深匙孔的效果；还可实现点环光束的点光束与环形光束之间能量对比调节，以适应不同焊接需要，提高了适用性。

Description

圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头

技术领域

本发明涉及光的强度控制及激光焊接技术领域，特别涉及一种圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头。

背景技术

随着激光的不断发展，目前激光焊接涉及到我们生活中的方方面面，针对不同产品的焊接市面上也推出了各式各样的激光器、焊接头。由于激光对金属的焊接过程中会存在飞溅、焊疤气孔、表面光滑度等问题，特别是针对新能源电池的铝焊接，由于铝对1064波段的光在焊接时吸收率只有30%左右，所以普通激光器或者焊接头在焊接过程中往往由于匙孔形成慢且浅的作用下造成焊接飞溅大、表面成形不光滑，焊疤里面存在大量的气孔（气密性差）的情况，市面有推出环形激光器对其铝改善了上述焊接问题，其原理是同一光束有内外两环光束在焊接过程中外环起到加热与锁住匙孔溶液飞溅的作用，内环起到加深匙孔的效果。

目前，现有的环形激光器的内外两环光束的能量分配比固定，针对某一或者某几种材质焊接使用可能较好，但换成其他材质的焊接，其加深匙孔或者锁住匙孔溶液飞溅的效果会出现显著下降。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，包括本体、调节杆、滑块、平顶锥镜和准直镜；

平顶锥镜位于本体内的光源入射端且平顶锥镜固定在滑块上，滑块与调节杆通过螺纹连接，使得旋转调节杆能够调整平顶锥镜与激光源入射端的距离；

准直镜位于本体内的平顶锥镜背离激光源入射端的方向，用于将经平顶锥镜处理后形成的点环光束调整为平行照射的点环光束。

可选的，本体内沿准直镜轴线远离平顶锥镜方向设有保护透镜。

可选的，本体内在准直镜与保护透镜之间设有第一聚焦透镜。

可选的，本体内第一聚焦透镜背离保护透镜方向设有带水路接口的容腔。

可选的，本体在保护透镜沿轴线远离准直镜方向设置有进气口。

可选的，本体上还安装有CCD工业相机，CCD工业相机用于实时拍摄焊接面图像。

可选的，CCD工业相机位于平顶锥镜的轴向外侧，准直镜远离平顶锥镜方向设有第一反射镜，第一反射镜与准直镜呈45度角且反射面背离准直镜；CCD工业相机设有第二聚焦透镜，第二聚焦透镜远离CCD工业相机方向设置有第二反射镜，第二反射镜与第一反射镜平行且相对设置，使得第一反射镜接收到的焊接面反射光能够反射至第二反射镜，再由第二反射镜反射至第二聚焦透镜传输到CCD工业相机获得焊接面图像。

可选的，调节杆配置有伺服电机，伺服电机的输出轴与调节杆传动连接；

还包括控制器，控制器与伺服电机和CCD工业相机电连接，控制器用于对CCD工业相机拍摄的焊接面图像进行处理分析，并根据分析结果控制伺服电机对平顶锥镜进行调节。

可选的，控制器包括预处理模块、焊接分析模块和执行模块；

预处理模块用于对焊接面图像进行预处理，包括滤波处理；

焊接分析模块用于对行预处理后的焊接面图像进行分析，对焊接的匙孔进行识别，并对匙孔的中心及周边进行光谱对比分析；

执行模块用于控制伺服电机对平顶锥镜进行调节，若匙孔中心及周边的光谱对比度大于第一阈值，则调节增大平顶锥镜与激光源入射端的距离；若匙孔中心及周边的光谱对比度小于第二阈值，则调节缩小平顶锥镜与激光源入射端的距离；若匙孔中心及周边的光谱对比度位于第一阈值和第二阈值之间则保持当前平顶锥镜与激光源入射端的距离。

可选的，预处理模块对焊接面图像的预处理过程如下：

对焊接面图像进行多层小波分解，得到各个频率段的小波系数；

将各个频率段的小波系数与系数阈值进行对比，若小波系数大于系数阈值，则对相应频率段的小波系数进行增强处理；

对处理之后的小波系数进行小波重构，得到增强后的焊接面图像。

本发明通过圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头配合普通光纤激光器就可以实现内外环光束，即将普通光纤激光器发出的锥形光束从激光源入射端照射在平顶锥镜上，平顶锥镜的平顶接收到的激光透射后形成点光束，平顶锥镜的锥面接收到的激光透射后形成一环形光束，点光束和环形光束分离且点光束位于环形光束的中心，再通过准直镜透射形成平行照射的点环光束；在新能源电池铝材焊接过程中同样能实现在焊接过程中外环起到加热与锁住匙孔溶液飞溅的作用，内环起到加深匙孔的效果，让焊疤表面光滑、减少飞溅同时达到焊接高气密性效果，以专利不仅在焊接效果和工艺上能媲美环形激光器，而且在成本上得到了极大的减少，为新能源以及焊接市场带来新的焊接时代；另外，通过旋转调节杆带动滑块上下移动，平顶锥镜与滑块一同移动，可以调节平顶锥镜距离点激光源的距离，由于点激光源发出的是锥形光束，距离越近其光束直径越小，光束照射到平顶锥镜的平顶上的面积占比越大，透射形成的点光束能量越强，照射到平顶锥镜的锥面的面积占比越小，透射形成的环形光束能量越弱；反之则点光束能量越弱而环形光束能量越强，从而实现点环光束的点光束与环形光束之间能量对比调节，以适应不同焊接需要，提高了适用性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头的透视图；

图2为本发明的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头实施例的正视图；

图3为本发明的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头实施例的左视图；

图4为本发明的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头实施例采用的控制器示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，包括本体1、调节杆2、滑块3、平顶锥镜4和准直镜5；

平顶锥镜4位于本体1内的光源入射端且平顶锥镜4固定在滑块3上，滑块3与调节杆2通过螺纹连接，使得旋转调节杆2能够调整平顶锥镜4与激光源入射端的距离；

准直镜5位于本体1内的平顶锥镜4背离激光源入射端的方向，用于将经平顶锥镜4处理后形成的点环光束调整为平行照射的点环光束。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的焊接头配合普通光纤激光器就可以实现内外环光束，即将普通光纤激光器发出的锥形光束从激光源入射端照射在平顶锥镜上，平顶锥镜的平顶接收到的激光透射后形成点光束，平顶锥镜的锥面接收到的激光透射后形成一环形光束，点光束和环形光束分离且点光束位于环形光束的中心，再通过准直镜透射形成平行照射的点环光束；在新能源电池铝材焊接过程中同样能实现在焊接过程中外环起到加热与锁住匙孔溶液飞溅的作用，内环起到加深匙孔的效果，让焊疤表面光滑、减少飞溅同时达到焊接高气密性效果，以专利不仅在焊接效果和工艺上能媲美环形激光器，而且在成本上得到了极大的减少，为新能源以及焊接市场带来新的焊接时代；另外，通过旋转调节杆带动滑块上下移动，平顶锥镜与滑块一同移动，可以调节平顶锥镜距离点激光源的距离，由于点激光源发出的是锥形光束，距离越近其光束直径越小，光束照射到平顶锥镜的平顶上的面积占比越大，透射形成的点光束能量越强，照射到平顶锥镜的锥面的面积占比越小，透射形成的环形光束能量越弱；反之则点光束能量越弱而环形光束能量越强，从而实现点环光束的点光束与环形光束之间能量对比调节，以适应不同焊接需要，提高了适用性；其中，平顶锥镜为具有上、下两个平行的圆形平面的锥柱状透镜，上、下两个圆形平面的直径不同且两者圆心位于圆形平面的同一垂线上。

在一个实施例中，如图1所示，本体4内沿准直镜5轴线远离平顶锥镜4方向设有保护透镜7；

本体1内在准直镜5与保护透镜7之间设有第一聚焦透镜8；

本体1内第一聚焦透镜8背离保护透镜7方向设有带水路接口9的容腔；

本体1在保护透镜7沿轴线远离准直镜5方向设置有进气口10。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在准直镜面对焊接面的前端设置保护透镜，使得在不影响激光的情况下能够防止焊接面出现的飞溅物损伤准直镜，提高使用寿命；通过设置第一聚焦透镜，能够实现点环激光束的聚焦对准焊接点，实现高精度定位焊接；通过设置容腔和水路接口能够引用冷却水对焊接头进行冷却，避免焊接头由于温度过高受损，提高使用寿命；通过在保护透镜与焊接面相对侧设置有进气口，能够连接气管引入保护气管，实现保护焊接，避免高温状态下物件被氧化。

在一个实施例中，如图1所示，本体1上还安装有CCD工业相机6，CCD工业相机6用于实时拍摄焊接面图像；

CCD工业相机6位于平顶锥镜4的轴向外侧，准直镜5远离平顶锥镜4方向设有第一反射镜11，第一反射镜11与准直镜5呈45度角且反射面背离准直镜5；CCD工业相机6设有第二聚焦透镜12，第二聚焦透镜12远离CCD工业相机6方向设置有第二反射镜13，第二反射镜13与第一反射镜11平行且相对设置，使得第一反射镜11接收到的焊接面反射光能够反射至第二反射镜13，再由第二反射镜13反射至第二聚焦透镜12传输到CCD工业相机6获得焊接面图像。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置CCD工业相机，用于实时拍摄焊接面图像，以便在激光焊接过程中能够监测焊接情况，存在问题及时做出调整，保障焊接质量；CCD工业相机能够高分辨率地反映焊接面的细节，避免了肉眼直接观察损伤视力以及可能存在忽略细节的情况发生；CCD工业相机安装在焊接头上，能够更好地实现焊接与监测的同步，通过设置反射镜，可以实现图像拍摄与焊接的定位同步；其中第一反射镜采用能够透射激光束的反射镜，即同时具有激光透射和普通可见光反射功能。

在一个实施例中，调节杆配置有伺服电机，伺服电机的输出轴与调节杆传动连接；

还包括控制器，控制器与伺服电机和CCD工业相机电连接，控制器用于对CCD工业相机拍摄的焊接面图像进行处理分析，并根据分析结果控制伺服电机对平顶锥镜进行调节。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置伺服电机作为调节杆的动力，设置控制器接收CCD工业相机拍摄的焊接面图像并进行处理分析，再根据分析结果控制伺服电机对平顶锥镜进行自动调节，实现了焊接监测与调节的联动，提高了自动化程度，能够进一步提高焊接效率和质量，降低废品率，节省工艺成本。

在一个实施例中，如图4所示，控制器20包括预处理模块201、焊接分析模块202和执行模块203；

预处理模块201用于对焊接面图像进行预处理，包括滤波处理；

焊接分析模块202用于对行预处理后的焊接面图像进行分析，对焊接的匙孔进行识别，并对匙孔的中心及周边进行光谱对比分析；

执行模块203用于控制伺服电机对平顶锥镜进行调节，若匙孔中心及周边的光谱对比度大于第一阈值，则调节增大平顶锥镜与激光源入射端的距离；若匙孔中心及周边的光谱对比度小于第二阈值，则调节缩小平顶锥镜与激光源入射端的距离；若匙孔中心及周边的光谱对比度位于第一阈值和第二阈值之间则保持当前平顶锥镜与激光源入射端的距离。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过预处理模块对焊接面图像进行预处理，降低噪音干扰，然后对焊接面图像进行分析，识别匙孔熔池，对匙孔熔池的中心及周边进行光谱分析和对比，判断匙孔熔池的中心及周边对应的点光束和环形光束的能量分配是否合适，是否需要进行调整，若需要调整，则由执行模块制伺服电机对平顶锥镜进行调节，实现点光束和环形光束的能量配比调整，达精准控制焊接熔池面积和深度的目的，使得焊缝均匀、光滑、美观和一致性好，达到高质量焊接效果。

在一个实施例中，焊接分析模块对匙孔的中心及周边进行光谱对比分析采用以下公式计算光谱对比度：

上式中，

表示匙孔中心及周边的光谱对比度；

表示匙孔中心的像素点数量；

表示匙孔中心各像素点

的平均光谱值；

表示匙孔周边的像素点数量；

表示匙孔周边各 像素点

的平均光谱值。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过对焊接面图像中匙孔的中心及周边进行光谱对比分析，采用上述公式计算两者的光谱对比度，由于温度越高能量强度越大其光谱波长越小，用两者的光谱对比度确定是否需要平顶锥镜与激光源入射端的距离以及怎么调节，实现了对焊接匙孔的实时动态分析，以便及时调节平顶锥镜与激光源入射端的距离，实现点环光束的点与环的参量配比与焊接对象相适应；本方案采用的光谱对比度计算公式简单，可操作性强，数据计算量小；通过量化计算提高了分析的客观性，降低了人为因素的影响。

在一个实施例中，控制器采用以下算法对伺服电机进行补偿控制：

上式中，

表示伺服电机在当前控制周期

中的补偿量；

表示比例系数；

表 示伺服电机在当前控制周期

中的误差值；

表示伺服电机在前一控制周期

中的误 差值；

表示积分系数。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过采用上述算法计算伺服电机的补偿量，能够提高伺服电机控制精度，避免调节过度或者反复调节，能够让伺服电机运行过程平稳，快速达到需要的调节精度要求，实现滑块和平顶锥镜的精准移动，从而进一步精确控制点光束与环形光束的能量配比，提高能量配比调节的效率。

在一个实施例中，预处理模块对焊接面图像的预处理过程如下：

对焊接面图像进行多层小波分解，得到各个频率段的小波系数；

将各个频率段的小波系数与系数阈值进行对比，若小波系数大于系数阈值，则对相应频率段的小波系数进行增强处理；

对处理之后的小波系数进行小波重构，得到增强后的焊接面图像。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的焊接面图像表示二维离散数字信号，小波分解时对其进行二维离散小波变换，对需要增强的信息在对应频率段的小波系数分别进行增强处理，达到去除噪声或者增强目标的目的；小波重构为小波分解的逆变换过程，每重构一次，信号量就可增加一倍；可以提高用于分析的焊接面图像清晰度和品质，排除干扰，为后续的光谱分析和对比提供良好基础。

本发明通过普通激光器有角度的圆形光束进入本发明焊接头平顶锥镜，圆形光束射入平顶锥镜后，通过平顶锥镜将圆形光束整形成中间一个点外环一个圆的光束（简称点环光束），点环光束垂直射入准直光学镜片，将有角度的点环光束通过准直镜片把光束转换成平行的点环光束，点环光束垂直射入45度反射镜片后垂直射入聚焦镜片，将平行光束的点环光束进行聚焦形成有一定距离的点环光束焦点从面进行焊接。聚焦后的点环可以平均分配能量（比如配1000W激光器，内环点能量为500W，外环能量为500W），也可以实现内环点和外环能量的分部调整。本发明的有益效果包括：

1、点环光束光斑，中央点光束产生一个更大更稳定的匙孔，环形光束可以使逸出的蒸汽动能量小化，稳定降低温度梯度从而达到在高功率焊接和高反材料（如铝、铜）焊接达到近零飞溅、高速焊接的优点，

同时铝、铜在匙孔内对能量的吸收率能达到60%-70%，所以AMB出射头焊接铜、铝高反材料时焊缝均匀、光滑、美观一致性达到高质量焊接效果；

2、可以达到近零飞溅和高焊速，避免了划伤母材与污染出射头镜片从而减少反工率与耗材，大大节约了生产成本与生产效率；

3、中央点光束与环形光束可组合可独立选择模块出光，匹配于不同焊接的场景需求，提高了焊接工艺多样性；

4、只需要单一个焊接出射头就可实现环形光斑的功能，相对于AMB激光器（需要两个高功率的激光器组合）产生的环形光斑，灵活性更高，成本更低，适用场景更广泛。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，包括本体、调节杆、滑块、平顶锥镜和准直镜；

平顶锥镜位于本体内的光源入射端且平顶锥镜固定在滑块上，滑块与调节杆通过螺纹连接，使得旋转调节杆能够调整平顶锥镜与激光源入射端的距离；

准直镜位于本体内的平顶锥镜背离激光源入射端的方向，用于将经平顶锥镜处理后形成的点环光束调整为平行照射的点环光束；

本体上还安装有CCD工业相机，CCD工业相机用于实时拍摄焊接面图像；

调节杆配置有伺服电机，伺服电机的输出轴与调节杆传动连接；

还包括控制器，控制器与伺服电机和CCD工业相机电连接，控制器用于对CCD工业相机拍摄的焊接面图像进行处理分析，并根据分析结果控制伺服电机对平顶锥镜进行调节；

控制器包括预处理模块、焊接分析模块和执行模块；

预处理模块用于对焊接面图像进行预处理，包括滤波处理；

焊接分析模块用于对行预处理后的焊接面图像进行分析，对焊接的匙孔进行识别，并对匙孔的中心及周边进行光谱对比分析；

执行模块用于控制伺服电机对平顶锥镜进行调节，若匙孔中心及周边的光谱对比度大于第一阈值，则调节增大平顶锥镜与激光源入射端的距离；若匙孔中心及周边的光谱对比度小于第二阈值，则调节缩小平顶锥镜与激光源入射端的距离；若匙孔中心及周边的光谱对比度位于第一阈值和第二阈值之间则保持当前平顶锥镜与激光源入射端的距离；

焊接分析模块对匙孔的中心及周边进行光谱对比分析采用以下公式计算光谱对比度：

上式中，D表示匙孔中心及周边的光谱对比度；N表示匙孔中心的像素点数量；/>

表示匙孔中心各像素点i的平均光谱值；M表示匙孔周边的像素点数量；/>

表示匙孔周边各像素点j的平均光谱值。

2.根据权利要求1所述的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，本体内沿准直镜轴线远离平顶锥镜方向设有保护透镜。

3.根据权利要求2所述的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，本体内在准直镜与保护透镜之间设有第一聚焦透镜。

4.根据权利要求3所述的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，本体内第一聚焦透镜背离保护透镜方向设有带水路接口的容腔。

5.根据权利要求2所述的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，本体在保护透镜沿轴线远离准直镜方向设置有进气口。

6.根据权利要求1所述的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，CCD工业相机位于平顶锥镜的轴向外侧，准直镜远离平顶锥镜方向设有第一反射镜，第一反射镜与准直镜呈45度角且反射面背离准直镜；CCD工业相机设有第二聚焦透镜，第二聚焦透镜远离CCD工业相机方向设置有第二反射镜，第二反射镜与第一反射镜平行且相对设置，使得第一反射镜接收到的焊接面反射光能够反射至第二反射镜，再由第二反射镜反射至第二聚焦透镜传输到CCD工业相机获得焊接面图像。

7.根据权利要求1所述的圆形光束变点环光束且能量分布可调焊接头，其特征在于，预处理模块对焊接面图像的预处理过程如下：

对焊接面图像进行多层小波分解，得到各个频率段的小波系数；

将各个频率段的小波系数与系数阈值进行对比，若小波系数大于系数阈值，则对相应频率段的小波系数进行增强处理；

对处理之后的小波系数进行小波重构，得到增强后的焊接面图像。

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