CN113740215A - 一种多激光束协同探测激光焊接羽辉中微粒的方法 - Google Patents
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Abstract
一种多激光束协同探测激光焊接羽辉中微粒的方法，属于激光焊接技术领域。测量***由多个不同波长的探测激光器、聚焦***、数据采集卡、信号处理***组成。多个不同波长的探测激光器分别经过各自聚焦***聚焦于羽辉中的同一位置，同时探测激光被羽辉中的微粒散射，部分散射光重新进入各自探测激光器引起自混合效应并使探测激光器的输出电压信号发生变化，通过对输出电压信号的处理可以获得微粒的直径、密度等信息。本发明能通过多个不同波长的探测激光协同探测羽辉中同一位置的微粒，可使测量位置微粒直径的测量范围更广(10nm～50μm),能够更准确地、大范围地原位测得羽辉中微粒的直径及其对应的密度情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种多激光束协同探测羽辉中微粒的方法，属于激光材料加工领域。
背景技术
1μm量级激光器(光纤激光、Nd:YAG激光、碟片激光以及半导体激光)的迅速发展是激光科学领域的重要进步。这类激光可通过光纤传输，用于金属材料加工时具有吸收率高、功率高、加工柔性高、运行成本低等优势。羽辉是波长1μm量级激光焊接时固有的物理现象，对焊接过程存在明显的负面影响。而羽辉影响激光焊接的本质是羽辉中存在大量微粒，羽辉中的微粒通过吸收和散射等方式使激光能量衰减及光束的传播方向改变。因此，研究羽辉中微粒的特性对于诊断焊接过程、提高焊接工艺质量具有指导性意义。
目前，对羽辉的研究包括羽辉的形态观察、羽辉温度测量、羽辉对焊接过程的影响等方面，关于羽辉的物理特性有了一定程度的了解。然而，现阶段的研究并未掌握羽辉的形成机理，特别是有关羽辉中微粒的分布情况、微粒的尺寸、微粒的来源等方面均缺乏直接的证据。现阶段对于羽辉中微粒的研究，主要是焊接过程结束后收集羽辉中的微粒，然后再测量。这种方法存在两方面局限性，一方面，收集后的羽辉微粒会冷却团聚，测量获得结果并非羽辉中微粒在光束中的实际大小，只能得到羽辉微粒直径的大致范围；另一方面，这种方法不能获得羽辉中微粒的空间分布规律、运动速度等特征。
针对上述问题，本课题组提出了《一种原位测量羽辉中粒子的方法，CN202010245365.6》。可实时测量羽辉中微粒的尺寸分布情况。根据自混合干涉效应原理，该方法测量的分辨率为探测激光的半波长。然而，羽辉中微粒直径在10nm～50μm之间，对于直径小于探测激光半波长的微粒，无法探测出来；而直径远大于探测激光波长的微粒，又存在干涉条纹过多，不好计数的问题。
本发明提出一种多激光束协同探测羽辉的方法可有效解决上述问题。探测激光束照射在微粒上时发射米氏散射作用，部分散射光进入探测激光器引起输出功率和频率的变化，通过对接收信号的收集和处理来获得微粒的直径、速率、分布情况等信息。本发明采用不同波长的探测激光器同时测量羽辉中的确定位置，并且每个激光器之间夹角在10°～180°范围内可调，能够获得更全面，更准确的信息。
发明内容
本发明在于提供一种多激光束协同探测激光焊接羽辉中微粒的方法。通过不同波长的多个探测激光器同步测量羽辉中某一确定位置，实时、全面地获得焊接过程中、羽辉中确定位置从纳米量级到微米量级粒子的物理信息，如尺寸、速率、分布情况等。相较于传统的收集羽辉微粒及单个探测光反馈式测量的方法，能够进行更详细、全面地准确测量。
为实现上述目的，将探测激光器组、衰减片、数据采集卡、计算机组成探测***。焊接时，1μm量级的焊接激光束照射到工件上产生羽辉。多个不同波长的探测激光照射到羽辉中确定位置(探测位置)的粒子上发生米氏散射效应，部分散射光进入激光腔中引起输出功率和频率的变化。半导体激光腔中配置的光电二极管将光信号转换为电信号，由数据采集卡收集、储存，最后在计算机上使用Matlab软件进行信号处理，得到功率和频率的变化图。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：多个探测激光束的聚焦焦点作用于羽辉中同一位置。探测激光器的个数≥2台，且探测激光之间的角度在10°～180°范围内可调。探测激光器输出功率为0.01mW～50W，输出波长为100nm～20μm(可根据实际需要选择适宜的探测激光器数量和波长，但不能使用焊接激光相同波长)。探测激光束的聚焦光斑直径为0.1μm～10mm；不同探测激光之间的波长差在100nm～2μm之间。焊接时使用波长1μm量级激光器，可以是光纤激光器、Nd:YAG激光器、盘式激光器或半导体激光器，输出功率在0.5kW～100kW。
本发明具有以下优点：本发明通过多个探测半导体激光器组合对羽辉中的微粒进行测量，一方面，相较于传统方法焊接结束后收集羽辉微粒测量，本发明能原位测量焊接激光束内的微粒，可以排除光束外的微粒或飞溅颗粒。同时能够避免收集测量方法产生的人为误差，获得实时的结果。另一方面，相较于单光束测量法，本发明能避免探测光波长与微粒直径相差过大带来的数据失真(小颗粒无法测量，大颗粒难以计数)，获得的微粒数据更全面、准确。此外，本发明具有***紧凑易准直、探测光和反馈光共享传播路径、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：多光束旁轴测量羽辉中微粒的实验方法示意图
图中各个附图标记的含义：1.2.3.探测激光器组，4.焊接激光束，5.焊接板材，6.数据采集卡NI62510，7.计算机。
图2：波长1.31μm探测激光器测量结果图
图3：波长0.639μm探测激光器测量结果图
具体实施方式
本实例中，焊接使用YLS-6000光纤激光器，焊接板材为10mm厚经磨削抛光处理的低碳钢，加工参数为：焊接速度2m/min，激光功率为1kW，光斑直径为1.06mm，光斑作用在板材表面。探测激光的波长分别为639nm和1310nm，经过焦距为100mm的透镜聚焦，激光功率为500mW；采用National Instruments的型号为6251的数据采集卡收集、储存信号，并用Matlab软件进行信号处理，得到电压频谱图如图2和3所示。通过读图中干涉条纹的个数和测量微粒直径与干涉条纹、探测激光波长的关系，可获得羽辉中粒子尺寸、数量分布及速度变化情况。
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)
1.一种多激光束协同探测激光焊接羽辉中微粒的方法，其特征在于：探测激光器即作为发射端也作为接收端，将不同波长的探测激光器经过聚焦后同时作用于羽辉中的同一测量位置，羽辉中的颗粒将探测光反射后再进入各自激光器产生自混合效应，测量每一个探测激光的输出电压信号，电压信号通过数据采集卡收集储存后在计算机上进行信号处理，计算出包括颗粒直径和密度。
2.如权利要求1所述的一种多激光束协同探测激光焊接羽辉中微粒的方法，其特征在于：探测激光器的个数≥2台，探测激光的波长范围在0.1μm～20μm之间；探测激光的功率范围在0.01mW～5W之间；探测激光束的聚焦光斑直径为0.1μm～10mm；不同探测激光之间的波长差在100nm～2μm之间，探测激光器之间的夹角在10°～180°之间。
3.如权利要求1所述的一种多激光束协同探测激光焊接羽辉中微粒的方法，其特征在于：焊接使用1μm量级的高功率激光器，是光纤激光、Nd:YAG激光、碟片激光或半导体激光，输出功率在0.5kW～100kW。
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