CN116765652B - 光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法及装置。通过探测得到到达面阵光探测器阵列表面的光探测像元的数量N单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量，根据所述当前光斑能量和测量得到的激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。在计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离之后，还包括调整激光器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量，以实现对光纤传感器焊接的精准控制。

Description

光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法及装置

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法及装置。

背景技术

激光作为一种加工工具，在切割、焊接、增材制造等领域得到广泛应用。高能激光束是一种理想的焊接热源，激光焊接具有熔深大、深宽比大、热输入小、变形小和易于实现自动化等优势，焊接质量和效率比明显优于传统熔化焊接。

图1为现有技术中的激光微离焦焊接示意图，其中，Δf即为焦点到焊接件的距离，从左到右Δf>0，表示正离焦，焦点在待焊接工件的上方；Δf=0表示零离焦，焦点位于工件表面；Δf<0表示负离焦，焦点在工件内部，即在焊接表面下方。现有技术中，在激光焊接时，要求可见光和激光同轴，对于激光输出功率，目前仅通过调节激光焦距以粗略控制激光输出能量，无法精准获得激光输出能量，对于能够正常焊接的激光功率（或是脉冲能量），在焦平面处的激光功率密度往往已经超过激光焊接所需的功率密度，在焦点位置焊接，可能会出现金属汽化、熔渣飞溅或是打孔现象，影响焊接质量。因此，目前使用的激光焊接设备无法精准获得激光输出能量，无法实现对光纤传感器焊接的精准控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，可实现对光纤传感器焊接的精准控制。

根据本发明的第一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，其特征在于，其包括控制器单元、角度探测单元、透光窗口镜、面阵光探测器阵列以及所述激光发射器，所述透光窗口镜设置在光纤下方，所述透光窗口镜上侧为一平整面，所述平整面用于放置光纤，所述平整面垂直于激光发射光轴方向；所述面阵光探测器阵列设置在所述透光窗口镜正下方，并连接到所述控制器单元；

容易理解的，所述平整面垂直于激光发射光轴方向，这样通过调整焦距可以控制光轴方向的激光焊接强度，保证平整面横向方向焊接功率的相对均匀和对称；

所述面阵光探测器阵列用于探测到达其表面的当前光探测像元的数量N，并将所述当前光探测像元的数量N发送给所述控制器单元；

所述控制器单元，根据接收到的所述当前光探测像元的数量N和单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量；

所述角度探测单元，用于获得所述激光发射器的激光发散角度；

所述控制器单元，用于根据所述当前光斑能量和激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。

容易理解的，由于所述面阵光探测器阵列设置在所述透光窗口镜的正下方，且透光窗口镜厚度以及光纤厚度已知，因此，在计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离后，即可计算得到离焦高度。

优选的，所述焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射功率校正单元，所述激光出射功率校正单元根据到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量与理论光斑能量的比较结果，对激光出射功率进行校正。

具体的，由于常用的激光能量分布是关于焦点对称分布，焦点处光斑最小，单位能量最高，离焦量越大，激光能量越分散，光斑也越大；因此，在确定焦点位置后，控制器单元可以根据激光出射的高度调节光斑的面积和焊接点的出射功率；

具体的，所述焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射高度调节单元，其通过所述激光出射高度调节单元调整激光器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量。

优选的，所述控制器单元还用于计算激光焊接的吸收率η，并根据激光焊接吸收率η校正激光器出射高度。

所述计算激光焊接吸收率η具体包括：

不放置光纤情况下，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₁；

将光纤放置在所述透光窗口镜上侧，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₂；

计算得到激光焊接吸收率η,η=(N₁-N₂)/N₁。

容易理解的，在光纤焊接时，激光大部分作用于焊接光纤，未作用于焊接光纤的部分激光会被面阵光探测器阵列探测得到，通过计算上述两者的比例，可以确定光纤焊接时激光的吸收率，并根据激光焊接吸收率η校正激光器出射高度。

根据本发明的另一方面，还提出了光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法；其应用于前述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，所述方法具体包括：

探测得到到达面阵光探测器阵列表面的光探测像元的数量N；

根据接收到的所述当前光探测像元的数量N和单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量；

测量得到所述激光发射器的激光发散角度；

根据所述当前光斑能量和激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。

优选的，根据到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量与理论光斑能量的比较结果，对激光出射功率进行校正。

优选的，在计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离之后，通过所述激光出射高度调节单元调整激光器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量。

优选的，在调整激光器出射高度之后，还包括计算激光焊接的吸收率η，并根据激光焊接吸收率η校正激光器出射高度。

具体的，所述计算激光焊接吸收率η具体包括：

不放置光纤情况下，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₁；

将光纤放置在所述透光窗口镜上侧，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₂；

计算得到激光焊接吸收率η,η=(N₁-N₂)/N₁。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在光纤下方设置面阵光探测器阵列，根据探测器上接收到光的探测像元数量，即可获得到探测器的光斑面积，结合激光发散角度，可以准确得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。

2、本发明的焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射高度调节单元，通过调节出射设备高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量。

3、本发明通过测量计算未作用于光纤焊接的激光光束的像元数量，可以准确判定激光的吸收率；并根据激光焊接吸收率进一步调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离，可方便地对焊接位置和能量密度进行调节和控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有技术中的激光微离焦焊接示意图；

图2是本发明中的焦点位置对焊接效果影响示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本发明提供一种光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置的实施例。

光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，其特征在于，其包括控制器单元、角度探测单元、透光窗口镜、面阵光探测器阵列以及激光发射器，所述透光窗口镜设置在光纤下方，所述透光窗口镜上侧为一平整面，所述平整面用于放置光纤，所述平整面垂直于激光发射光轴方向；所述面阵光探测器阵列设置在所述透光窗口镜正下方，并连接到所述控制器单元；

容易理解的，所述平整面垂直于激光发射光轴方向，这样通过调整焦距可以控制光轴方向的激光焊接强度，保证平整面横向方向焊接功率的相对均匀和对称；

所述面阵光探测器阵列用于探测到达其表面的当前光探测像元的数量N，并将所述当前光探测像元的数量N发送给所述控制器单元；

所述控制器单元，根据接收到的所述当前光探测像元的数量N和单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量；

所述角度探测单元，用于获得所述激光发射器的激光发散角度；

所述控制器单元，用于根据所述当前光斑能量和激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。

容易理解的，由于所述面阵光探测器阵列设置在所述透光窗口镜的正下方，且透光窗口镜厚度以及光纤厚度已知，因此，在计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离后，即可计算得到离焦高度。

实施例二

在本实施例中，除了包括实施例一的全部内容外，所述焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射功率校正单元，所述激光出射功率校正单元根据到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量与理论光斑能量的比较结果，对激光出射功率进行校正。

具体的，由于常用的激光能量分布是关于焦点对称分布，焦点处光斑最小，单位能量最高，离焦量越大，激光能量越分散，光斑也越大；因此，在确定焦点位置后，控制器单元可以根据激光出射的高度调节光斑的面积和焊接点的出射功率；

具体的，所述焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射高度调节单元，其通过所述激光出射高度调节单元调整激光器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量。

优选的，所述控制器单元还用于计算激光焊接的吸收率η，并根据激光焊接吸收率η校正激光器出射高度。

所述计算激光焊接吸收率η具体包括：

不放置光纤情况下，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₁；

将光纤放置在所述透光窗口镜上侧，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₂；

计算得到激光焊接吸收率η,η=(N₁-N₂)/N₁。

容易理解的，在光纤焊接时，激光大部分作用于焊接光纤，未作用于焊接光纤的部分激光会被面阵光探测器阵列探测得到，通过计算上述两者的比例，可以确定光纤焊接时激光的吸收率，并根据激光焊接吸收率η校正激光器出射高度。

实施例三

根据本发明的另一方面，还提出光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法；其应用于前述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，所述方法具体包括：

探测得到到达面阵光探测器阵列表面的光探测像元的数量N；

根据接收到的所述当前光探测像元的数量N和单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量；

测量得到所述激光发射器的激光发散角度；

根据所述当前光斑能量和激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。

优选的，根据到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量与理论光斑能量的比较结果，对激光出射功率进行校正。

优选的，在计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离之后，通过所述激光出射高度调节单元调整激光器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量。

优选的，在调整激光器出射高度之后，还包括计算激光焊接的吸收率η，并根据激光焊接吸收率η校正激光器出射高度。

具体的，所述计算激光焊接吸收率η具体包括：

不放置光纤情况下，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₁；

将光纤放置在所述透光窗口镜上侧，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₂；

计算得到激光焊接吸收率η,η=(N₁-N₂)/N₁。

图2为本发明中的焦点位置对焊接效果影响示意图，从图2中可以看出，通过调节出射设备高度d，即可调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离，通过对焦点与面阵光探测器阵列之间的距离控制可以控制激光焊接的宽度和深度，进而可以实现离焦控制和焊接位置能量密度控制。

本发明通过测量计算未作用于光纤焊接的激光光束的像元数量，可以准确判定激光的吸收率；并根据激光焊接吸收率进一步调整离焦的高度，可方便地对焊接位置和能量密度进行调节和控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，其特征在于，其包括控制器单元、角度探测单元、透光窗口镜、面阵光探测器阵列以及激光发射器，所述透光窗口镜设置在光纤下方，所述透光窗口镜上侧为一平整面，所述平整面用于放置光纤，所述平整面垂直于激光发射光轴方向；所述面阵光探测器阵列设置在所述透光窗口镜正下方，并连接到所述控制器单元；

所述面阵光探测器阵列用于探测到达其表面的当前光探测像元的数量N，并将所述当前光探测像元的数量N发送给所述控制器单元；

所述控制器单元，根据接收到的所述当前光探测像元的数量N和单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量；

所述角度探测单元，用于获得所述激光发射器的激光发散角度；

所述控制器单元，用于根据光斑面积和当前激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离；所述控制器单元还用于计算激光焊接的吸收率，并根据激光焊接吸收率校正激光发射器出射高度；

所述焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射高度调节单元，其通过所述激光出射高度调节单元调整激光发射器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量；

所述焦点追踪与能量分布监测装置还包括激光出射功率校正单元，所述激光出射功率校正单元根据到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量与理论光斑能量的比较结果，对激光出射功率进行校正，

通过测量计算未作用于光纤焊接的激光光束的像元数量，可以准确判定激光的吸收率；并根据激光焊接吸收率进一步调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离，可方便地对焊接位置和能量密度进行调节和控制。

2.如权利要求1所述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，其特征在于：所述控制器单元还用于计算激光焊接的吸收率η，并根据激光焊接吸收率η校正激光发射器出射高度；

所述计算激光焊接的吸收率η具体包括：

不放置光纤情况下，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₁；

将光纤放置在所述透光窗口镜上侧，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₂；

计算得到激光焊接吸收率η,η=(N₁-N₂)/N₁。

3.光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-2中任一项所述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测装置，所述方法包括以下步骤：

探测得到到达面阵光探测器阵列表面的光探测像元的数量N;

根据接收到的当前光探测像元的数量N和单位像元的光通量，计算到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量；

测量得到所述激光发射器的激光发散角度；

根据当前光斑面积和当前激光发散角度，计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离。

4.如权利要求3所述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法，其特征在于：根据到达所述面阵光探测器阵列的当前光斑能量与理论光斑能量的比较结果，对激光出射功率进行校正。

5.如权利要求3所述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法，其特征在于：在计算得到焦点与面阵光探测器阵列之间的距离之后，还包括调整激光发射器出射高度，进而调整焦点与面阵光探测器阵列之间的距离以及到达焊接点的能量。

6.如权利要求5所述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法，其特征在于：在调整激光发射器出射高度之后，还包括计算激光焊接的吸收率η，并根据激光焊接吸收率η校正激光发射器出射高度。

7.如权利要求6所述的光纤传感器激光焊接焦点追踪与能量分布监测方法，其特征在于：计算激光焊接吸收率η具体包括：

不放置光纤情况下，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₁；

将光纤放置在所述透光窗口镜上侧，打开激光发射器，计算所述面阵光探测器阵列探测得到像元的数量N₂；

计算得到激光焊接吸收率η,η=(N₁-N₂)/N₁。