本技术涉及激光材料加工技术,特别是一种利用熔池镜面反射区进行激光焊接过程监测的装置和方法。该装置包括焊接板材和位于板材正上方的高功率激光器,旨在实现焊接过程的原位监测。
背景技术
焊接是制造业的基础工艺,经历了从早期气焊、电弧焊到现在以等离子、电子束、激光束为代表的高能束流焊接技术的发展过程。与其它焊接技术相比,激光焊接技术具有焊接热影响区小、焊后板材热变形较小、焊接速度快、焊接质量较好、易于实现自动化控制、可焊材质种类范围大等显著的优势。因此,激光焊接技术吸引了人们的广泛关注,已广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶制造、车辆制造等制造行业。
激光焊接过程是一个涉及熔池流动、金属蒸发、激光能量耦合的复杂过程。在激光焊接过程中,材料表面在激光作用下发生熔化形成熔池,然后熔池在蒸发反冲压力作用下向下凹陷形成深熔匙孔。在激光深熔焊接领域,大量的研究均发现焊接中容易产生浓烟、飞溅、驼峰、气孔、焊缝表面成形较差和焊接熔深波动严重等问题。这些问题在焊缝中表现为焊接缺陷,将严重影响到焊接构件的整体服役性能,故而制约了激光深熔焊接技术的发展。智能化是激光焊接技术的发展趋势,焊接过程缺陷监测是智能激光焊接流程中的必要环节。
为了克服上述局限性,本发明基于熔池表面的平整度可反应熔池稳定性的想法,提出了基于熔池镜面反射区的激光焊接原位过程监测装置及方法。采用照明激光束与高速相机的观察轴线对称布置于高功率激光器激光束方向两侧,与照明激光束波长相同的滤波片和合适的衰减片组成复合滤光减光系统,过滤掉等离子体、羽辉等因素干扰,降低它们对观察过程的干扰,高速相机收集过滤后的光信号。由于焊接缺陷的产生与匙孔的特性行为(特别是动态行为)密切相关,而匙孔的动态行为与熔池密切相关,通过观察在熔池表面发生反射的光斑面积来反映匙孔的动态行为,有望建立光斑面积的动态行为与焊接缺陷产生过程的对应关系,实现对焊接过程的检测。
实现思路