CN118189847A - 一种激光焊接焊缝深度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接焊缝深度测量系统，包括探测器、焊接光束输出装置以及线性依次排布的探测光源输出装置、相位调制元件、二向色镜和透镜；焊接光束输出装置设置在二向色镜的一侧，用于输出准直焊接光束，二向色镜用于对准直焊接光束进行反射以得到反射焊接光束，透镜用于对反射焊接光束聚焦以得到投射至目标焊接区域的目标焊接光束；探测光束输出装置用于输出准直探测光束，相位调制元件用于对准直探测光束进行调节以使得调节后的光束依次经过二向色镜和透镜后形成第一针式光束，探测器用于基于第一探测反射光确定目标焊接光束在焊接件上形成的焊缝深度。本发明可以减少光束在匙孔侧边的散射和反射，提高焊缝深度的测量精度。

Description

一种激光焊接焊缝深度测量系统

技术领域

本发明属于光电信息技术领域，具体涉及一种激光焊接焊缝深度测量系统。

背景技术

激光焊接是一种新型焊接方法，其高度精密的特性使其在需要极高焊接精度的应用中表现出色，如电子元件、医疗设备和光学组件的生产。激光焊接产生的热量局部集中，因此热影响区域非常小，减少了周围材料的热损伤，有助于降低变形和材料的变质风险。同时，激光焊接的高焊接速度使其适用于高产量生产环境，而且焊缝质量通常非常高，减少了后续加工的需要。此外，激光焊接是一种非接触性焊接方法，避免了物理接触可能引入的外部杂质或污染。多材料适用性、易于自动化和小型化轻量化的特点进一步增加了其吸引力。

近年来，光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，以下简称OCT）被应用于机器人激光焊接中的焊缝深度检测中，然而，现有的基于OCT的激光焊接焊缝深度测量方法采用高斯光束进行探测，但是由于高斯光束在光传输方向上的光斑尺寸有较大的变化，导致探测光在匙孔侧边产生单次和多次背向散射，带来测量噪声，焊缝深度的测量精度较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光焊接焊缝深度测量系统，解决了现有技术中焊缝深度测量精度低的问题。

具体的，本发明的激光焊接焊缝深度测量系统包括探测器、焊接光束输出装置以及线性依次排布的探测光源输出装置、相位调制元件、二向色镜和透镜；

所述焊接光束输出装置设置在所述二向 色镜的一侧，所述焊接光束输出装置用于输出准直焊接光束，所述二向色镜用于对所述准直焊接光束进行反射以得到反射焊接光束，所述透镜用于对所述反射焊接光束聚焦以得到投射至焊接件的目标焊接区域的目标焊接光束；

所述探测光束输出装置用于输出准直探测光束，所述相位调制元件用于对所述准直探测光束进行调节，以使得调节后的光束依次经过所述二向色镜和所述透镜后形成第一针式光束，其中，所述第一针式光束、所述反射焊接光束以及所述目标焊接光束同轴，所述第一针式光束在所述焊接件的匙孔底部形成第一探测反射光；

所述探测器用于基于所述第一探测反射光确定所述目标焊接光束在所述焊接件上形成的焊缝深度。

进一步的，所述系统还包括分光束元件，所述分光束元件设置在所述相位调制元件以及所述二向色镜片之间，所述分光束元件用于对所述相位调制元件调节后的光束进行分光，以得到第二针式光束和分光光束，所述第二针式光束在所述焊接件的匙孔底部形成第二探测反射光，所述分光光束在所述焊接件的焊接表面形成第三探测反射光，所述探测器基于所述第二探测反射光和所述第三探测反射光确定所述目标焊接光束在所述焊接件上形成的焊缝深度。

进一步的，所述焊接光束输出装置包括焊接光源件和焊接光束准直器，所述焊接光源件用于提供初始焊接光束，所述焊接光束准直器用于对所述初始焊接光束准直处理，得到准直焊接光束。

进一步的，所述探测光束输出装置包括探测光源件和探测光束准直器，所述探测光源件用于提供初始探测光束，所述探测光束准直器用于对所述初始探测光束准直处理，得到准直探测光束。

在一种可实施的方案中，所述探测光束准直器为OCT准直器。

在一种可实施的方案中，所述相位调制元件为衍射光学元件或空间光调制器或超构表面。

在一种可实施的方案中，所述目标焊接光束的光波在所述第一针式光束的光波范围外。

在又一种可实施的方案中，所述目标焊接光束的光波在所述第二针式光束的光波范围外。

进一步的，所述透镜基于对所述目标焊接光束的波段无吸收的材质形成，所述透镜的表面涂覆有抗反射涂层。

在一种可实施的方案中，所述二向色镜为介质镜或偏振分束器。

本技术方案的激光焊接焊缝深度测量系统，包括探测器、焊接光束输出装置以及线性依次排布的探测光源输出装置、相位调制元件、二向色镜和透镜；所述焊接光束输出装置设置在所述二向 色镜的一侧，所述焊接光束输出装置用于输出准直焊接光束，所述二向色镜用于对所述准直焊接光束进行反射以得到反射焊接光束，所述透镜用于对所述反射焊接光束聚焦以得到投射至焊接件的目标焊接区域的目标焊接光束；所述探测光束输出装置用于输出准直探测光束，所述相位调制元件用于对所述准直探测光束进行调节，以使得调节后的光束依次经过所述二向色镜和所述透镜后形成第一针式光束，其中，所述第一针式光束、所述反射焊接光束以及所述目标焊接光束同轴，所述第一针式光束在所述焊接件的匙孔底部形成第一探测反射光；所述探测器用于基于所述第一探测反射光确定所述目标焊接光束在所述焊接件上形成的焊缝深度。本发明的测量系统基于针式光束实现焊接件焊缝深度的测量，在进行焊缝深度测量时，针式光束可以减少匙孔侧边的散射和反射的发生，可以有效提升焊缝深度的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的激光焊接焊缝深度测量系统的结构示意图；

图2是现有技术中的高斯光束在焊接件上的投射示意图；

图3是本发明实施例的针式光束在焊接件上的投射示意图；

图4是本发明实施例的相位调制元件设计的一种示意图；

图5是本发明实施例的激光焊接焊缝深度测量系统的结构示意图；

图中，10-焊接光束输出装置，101-准直焊接光束，102-反射焊接光束，103-目标焊接光束，20-探测光源输出装置，201-准直探测光束，202-第一针式光束，30-相位调制元件，40-二向色镜，50-透镜，60-分光束元件，601-第二针式光束，602-分光光束，70-焊接件，701-匙孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，如图1至图4所示，本发明的激光焊接焊缝深度测量系统，包括焊接光束输出装置10以及线性依次排布的探测光源输出装置20、相位调制元件30、二向色镜40和透镜50；焊接光束输出装置10设置在二向 色镜的一侧，焊接光束输出装置10用于输出准直焊接光束101，二向色镜40用于对准直焊接光束101进行反射以得到反射焊接光束102，透镜50用于对反射焊接光束102聚焦以得到投射至焊接件70的目标焊接区域的目标焊接光束103；探测光束输出装置用于输出准直探测光束201，相位调制元件30用于对准直探测光束201进行调节，以使得调节后的光束依次经过二向色镜40和透镜50后形成第一针式光束202，第一针式光束202在焊接件70的匙孔701底部形成第一探测反射光；探测器用于基于第一探测反射光确定目标焊接光束103在焊接件70上形成的焊缝深度；其中，第一针式光束202、反射焊接光束102以及目标焊接光束103同轴。

具体的，现有技术中采用高斯光束作为探测光实现焊接件70的焊缝深度的测量，高斯光束的聚焦特性可以描述为：

其中，为聚焦长度，为波长，n为折射率，NA为透镜50的孔径数值。根据上述参数在激光焊接中的通常取值范围，高斯光束的聚焦长度为在几十微米量级，这远小于激光焊接中的焊缝深度。因此，探测光束传输路径上、聚焦范围外，大量光子将会在匙孔701侧边发生散射和反射，进而带来测量噪声。与之相较，本发明中采用针式光束进行焊缝深度的探测测量，其聚焦长度通常是高斯光束的十倍以上。因此，在进行焊缝深度测量时，光束可以直达匙孔701底部，较少发生匙孔701侧边的散射和反射，提升了焊缝深度的测量精度。

进一步的，高斯光束在光传输方向上的光斑尺寸有较大的变化，探测光在匙孔701侧边会产生单次和多次背向散射，带来测量噪声。进而引起激光焊接工艺参数计算的失准，进而导致控制精度的下降。本技术方案中采用针式光束，由于针式光束能够在更大的轴向范围内保持聚焦，因此更大程度上避免在匙孔701侧边的单次和多次背向散射，进而更好的控制焊接深度测量中的噪声。

再者，采用高斯光束作为探测光在焊接光斑较小（如单模激光）时会带来测量结果的失准问题，这是由于此时匙孔701的尺寸较小，高斯光束在径向上的聚焦情况变化会导致产生大量非匙孔701底部散射。采用针式光束时在轴向大范围内保持紧聚焦，因此能够有效避免这一问题。

进一步的，焊接光束输出装置10包括焊接光源件和焊接光束准直器，焊接光源件用于提供初始焊接光束，焊接光束准直器用于对初始焊接光束准直处理，得到准直焊接光束101。探测光束输出装置包括探测光源件和探测光束准直器，探测光源件用于提供初始探测光束，探测光束准直器用于对初始探测光束准直处理，得到准直探测光束201。在一种示例中，探测光束准直器为OCT准直器。具体的，在光学相干断层扫描（OCT）系统中，OCT准直器用于调整OCT光束的准直性，可以提高光束在样品上的聚焦和扫描质量。在一种可实时的方案中，常见的OCT准直器对光束的准直方式可以包括透镜50准直，可以理解的是，透镜50准直是常见的准直光束的方式之一，通过选择适当的透镜50焦距和位置，可以将光束聚焦到所需的焦点位置，并确保光束的准直性。

在另一种可实施的方案中，也可以选择光纤耦合，在OCT系统中，光纤通常用于将光束从光源传输到OCT系统中的样品臂。光纤的端面可以通过适当的设计和加工，使光束在端面上准直。通过将光纤端面与样品臂接触，可以实现光束的准直。

在又一种可实施的方案中，还可以选择光学整形元件，例如棱镜、衍射光栅、光学透镜50阵列等用于OCT光束的准直。这些元件可以通过调整光束的形状和分布来实现光束的准直性。例如，使用柱透镜50可以将光束整形为准直线。

在又一种可实施的方案中，还可以选择自适应光学技术，自适应光学技术可以通过使用变形镜或液晶衍射器等自适应元件，实时调整光束的相位和形状，以实现光束的准直和波前修正。这种方式可以根据系统需求和样品特性，对光束进行高度自定义的准直。

可以理解的是，上述的准直方式仅是一种优选实施方案，在其他可实施的方案中，可以根据具体的OCT系统设计和应用需求选择合适的准直器和准直方式。不同的方式具有不同的优势和适用范围，可以根据实际情况进行选择和优化。

在一种可实施的方案中，相位调制元件30可以为衍射光学元件或空间光调制器或超构表面。示例性的，在本技术方案中，相位调制元件30可以为衍射光学元件，在一种示例中，可以在光传输的方向上空间复用衍射光学元件，生成沿轴向密集分布的焦点，从而创建出针式光束。在一种示例中，衍射光学元件的像素被平均分成若干组。每个组负责一个被移动的焦点。采用角谱法对衍射光学元件上像素的幅度分布进行估算，并优化焦点位置以获得均匀的轴向强度分布。首先，将入射光波的角谱进行傅里叶变换，从而得到波矢向量的频谱信息，这个变换可以通过光学透镜或傅里叶变换光学器件来实现。接着，在频谱域中，为了实现焦点位置的优化，对于每个焦点，引入相位调节器，用来调整波矢向量的相位，相位调节器可以是光学相位调制器，例如液晶空间光调制器（LC-SLM）或电子束写入系统等。通过调节相位调节器中的相位值，可以改变波矢向量的相位。然后，针对每个焦点，将调整后的角谱进行反傅里叶变换，将频谱信息转换回空间域，这个变换可以通过光学透镜或反傅里叶变换光学器件来实现。最后，将所有反傅里叶变换得到的波矢向量相加，形成最终的衍射光学元件。这个衍射光学元件经过物镜后，能够使得入射光波在不同焦点处形成均匀的强度分布。

可以理解的是，透镜50可以将光束聚焦到焦点处，如果透镜50位于相位调制元件30之前，它会将平行入射的光束聚焦到相位调制元件30上。这有助于使相位调制元件30的影响范围最大化，并提高相位调制的效率。透镜50也会引入空间相位调制效应，当光波通过透镜50时，由于透镜50的形状和折射性质，光波的相位分布将发生变化。这对于某些相位调制元件30（如空间光调制器）可能会导致相位调制的非均匀性或畸变。透镜50还会改变光波的传播路径和传播速度，从而影响相位调制元件30对光波的相位调制。透镜50的厚度和曲率等参数会对相位调制的传播距离、相位延迟和相位调制的强度等产生影响。因此，在引入相位调制元件30时，需要考虑透镜50的影响，并进行相应的优化和校准，以确保所需的相位调制效果和光束质量。具体的优化和校准可以基于对相位调制效果和光束质量的要求来实施进行。

进一步的，目标焊接光束103的光波在第一针式光束202的光波范围外，通过设置目标焊接光束103的光波在第一针式光束202的光波范围外，可以使得目标焊接光束103和第一针式光束202的两个波段互不重合。

在一种示例中，可以选择不同类型的光源来产生不同特性的光波，以满足目标焊接光束103的光波在第一针式光束202的光波范围外的需求。例如，激光器可以提供高功率和较小的发散角度，适用于焊接应用。而对于针式光束，可以选择合适的光源，如激光二极管、LED等，以产生更细长的光束。

在另一种示例中，还可以通过设计和调整光学系统，实现对光波的形态和特性的控制，以满足目标焊接光束103的光波在第一针式光束202的光波范围外的需求。例如，使用适当的透镜50、棱镜、光学干涉仪等元件来调整光束的聚焦度、形状和准直性。通过调整光学元件的参数，如焦距、孔径等，可以改变光波的传播特性。

在又一种可实施的方案中，还可以使用光学元件进行光束整形，来改变光波的形状和分布，以满足目标焊接光束103的光波在第一针式光束202的光波范围外的需求。例如，使用光学棱镜、光学透镜50阵列或空间光调制器等元件来实现光束的整形。通过适当的整形，可以将焊接光束和针式光束的光波形态差异化。

在又一种可实施的方案中，还可以通过光波的调制，改变光波的特性，目标焊接光束103的光波在第一针式光束202的光波范围外的需求。例如，使用调制器或相位调制器来改变光波的相位、频率或振幅。这样可以实现对光波的特定调制，使其与焊接光束或针式光束的光波有所区别。

可以理解的是，调整光波以使焊接光束和针式光束的光波不同需要光学设计和精确的光学调整。这涉及到合适的光源选择、光学元件的设计和调整，以及对光波的整形和调制。在实际应用中，根据具体需求和条件，需要进行相应的光学设计和实验验证，以获得所需的光波特性。

进一步的，透镜50基于对目标焊接光束103的波段无吸收的材质形成，透镜50的表面涂覆有抗反射涂层。

在一种可实施的方案中，二向色镜40为介质镜或偏振分束器。

本技术方案的激光焊接焊缝深度测量系统，包括探测器、焊接光束输出装置10以及线性依次排布的探测光源输出装置20、相位调制元件30、二向色镜40和透镜50；焊接光束输出装置10设置在二向 色镜的一侧，焊接光束输出装置10用于输出准直焊接光束101，二向色镜40用于对准直焊接光束101进行反射以得到反射焊接光束102，透镜50用于对反射焊接光束102聚焦以得到投射至焊接件70的目标焊接区域的目标焊接光束103；探测光束输出装置用于输出准直探测光束201，相位调制元件30用于对准直探测光束201进行调节，以使得调节后的光束依次经过二向色镜40和透镜50后形成第一针式光束202，其中，第一针式光束202、反射焊接光束102以及目标焊接光束103同轴，第一针式光束202在焊接件70的匙孔701底部形成第一探测反射光；探测器用于基于第一探测反射光确定目标焊接光束103在焊接件70上形成的焊缝深度。本发明的测量系统基于针式光束实现焊接件70焊缝深度的测量，在进行焊缝深度测量时，针式光束可以减少匙孔701侧边的散射和反射的发生，可以有效提升焊缝深度的测量精度。

进一步的，本技术方案还提供了激光焊接焊缝深度测量系统的又一种结构，如图5所示，系统还包括分光束元件60，分光束元件60设置在相位调制元件30以及二向色镜40片之间，分光束元件60用于对相位调制元件30调节后的光束进行分光，以得到第二针式光束601和分光光束602，第二针式光束601在焊接件70的匙孔701底部形成第二探测反射光，分光光束602在焊接件70的焊接表面形成第三探测反射光，探测器基于第二探测反射光和第三探测反射光确定目标焊接光束103在焊接件70上形成的焊缝深度。此时，目标焊接光束103的光波在第二针式光束601的光波范围外。

可以理解的是，本示例中，该实施例无需预先校正OCT信号特征与焊缝深度的关系，而是通过第二针式光束601和分光光束602导致的在OCT测量信号上的强反射峰之间的距离得到，因此数据后处理更为简便，测量的速度也就更快。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述系统包括探测器、焊接光束输出装置（1）以及线性依次排布的探测光源输出装置（20）、相位调制元件（30）、二向色镜（40）和透镜（50）；

所述焊接光束输出装置（1）设置在所述二向色镜（40）的一侧，所述焊接光束输出装置（1）用于输出准直焊接光束（2），所述二向色镜（40）用于对所述准直焊接光束（2）进行反射以得到反射焊接光束（102），所述透镜（50）用于对所述反射焊接光束（102）聚焦以得到投射至焊接件（70）的目标焊接区域的目标焊接光束（103）；

所述探测光束输出装置用于输出准直探测光束（201），所述相位调制元件（30）用于对所述准直探测光束（201）进行调节，以使得调节后的光束依次经过所述二向色镜（40）和所述透镜（50）后形成第一针式光束（202），其中，所述第一针式光束（202）、所述反射焊接光束（102）以及所述目标焊接光束（103）同轴，所述第一针式光束（202）在所述焊接件（70）的匙孔（701）底部形成第一探测反射光；

探测器，所述探测器用于基于所述第一探测反射光确定所述目标焊接光束（103）在所述焊接件（70）上形成的焊缝深度。

2.根据权利要求1所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述系统还包括分光束元件（60），所述分光束元件（60）设置在所述相位调制元件（30）以及所述二向色镜（40）片之间，所述分光束元件（60）用于对所述相位调制元件（30）调节后的光束进行分光，以得到第二针式光束（601）和分光光束（602），所述第二针式光束（601）在所述焊接件（70）的匙孔（701）底部形成第二探测反射光，所述分光光束（602）在所述焊接件（70）的焊接表面形成第三探测反射光，所述探测器基于所述第二探测反射光和所述第三探测反射光确定所述目标焊接光束（103）在所述焊接件（70）上形成的焊缝深度。

3.根据权利要求1所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述焊接光束输出装置（1）包括焊接光源件和焊接光束准直器，所述焊接光源件用于提供初始焊接光束，所述焊接光束准直器用于对所述初始焊接光束准直处理，得到准直焊接光束（2）。

4.根据权利要求1所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述探测光束输出装置包括探测光源件和探测光束准直器，所述探测光源件用于提供初始探测光束，所述探测光束准直器用于对所述初始探测光束准直处理，得到准直探测光束（201）。

5.根据权利要求1或4所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述探测光束准直器为OCT准直器。

6.根据权利要求1所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述相位调制元件（30）为衍射光学元件或空间光调制器或超构表面。

7.根据权利要求1所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述目标焊接光束（103）的光波在所述第一针式光束（202）的光波范围外。

8.根据权利要求2所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述目标焊接光束（103）的光波在所述第二针式光束（601）的光波范围外。

9.根据权利要求1所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述透镜（50）基于对所述目标焊接光束（103）的波段无吸收的材质形成，所述透镜（50）的表面涂覆有抗反射涂层。

10.根据权利要求1或2所述的激光焊接焊缝深度测量系统，其特征在于，所述二向色镜（40）为介质镜或偏振分束器。