一种光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备及其检测方法与流程

本发明属于激光焊接技术领域，更具体地，涉及一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备及其检测方法。

背景技术：

激光焊接技术目前以其热影响区小、焊接速度快、加工质量好等优点被广泛应用，其中，焊缝的熔深是评估焊缝质量的重要参数，特别是针对某一些对焊接深度有严格要求的焊接工况。在新能源电池和汽车传动件自动化焊接产线上，对焊缝熔深有着较高的要求，需要自动化检测技术提高产品出厂合格率。

控制焊缝熔深使用的主要方法为焊接工艺控制法，通过多次重复焊接试样和破坏性的金相试验摸索合适的焊接参数，该方法需要大量的重复性试验，且不能保证焊缝熔深的100%的可靠性，在批量产品中需要进行抽检，保证零件质量，产品的检验成本高。其次，使用旁轴的光电二级管测量焊接熔池的等离子体信号，间接反映焊缝熔深，但该方法精度较差，仅能反映焊缝是否焊透。目前使用光学低相干技术直接测量焊缝熔深的技术开始投入使用，但这些技术大多结构简单，功能单一，不易对准焊缝熔池的匙孔。cn109967910a中检测装置只能检测熔深匙孔的深度，寻找熔深匙孔位置难度较大。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备。

为了实现上述目的，本发明涉及：一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备，包括光学机箱组件、控制主机组件、参考臂组件、样品臂组件及焊接头组件，所述光学机箱组件、控制主机组件设置于工业焊接机器人底部，所述参考臂组件设置于工业焊接机器人中部，所述样品臂组件设置于工业焊接机器人的焊接头组件上，所述参考臂组件和样品臂组件之间通过光纤连接；光学机箱组件负责提供光源信号和采集干涉信号，控制主机组件用于处理系统数据、显示处理结果以及外部设备交互，参考臂组件提供系统的参考信号，样品臂组件与焊接头组件集成，实现探测光的扫描探测；

进一步的，所述光学机箱组件包括位于光学机箱组件中中部的光源、电气连接端子及直流电源模块；位于光学机箱组件两侧的光谱仪、线性模组驱动器及plc组件；光谱仪为本设备的干涉信号采集装置，可以实现干涉光谱的高速采集；线性模组驱动器为参考臂组件线性模组提供驱动信号，控制参考臂组件的光程变化；电气连接端子连接机箱内部的各电气器件；plc组件为激光焊接熔深信息监测设备的电气信号输入和输出接口；直流电源模块负责为设备光源和驱动器供电。

进一步的，所述参考臂组件包括参考臂组件支架，参考臂组件支架内部依次设有一号光纤准直镜、光纤耦合器、聚焦镜、反射镜，聚焦镜、反射镜下方设置线性电动模组，参考臂组件支架底部设有缓震垫，其中光纤准直镜、聚焦镜和反射镜组成设备的参考臂组件空间光路；光纤耦合器将激光分为两路，通过光纤一路输出至参考臂组件光路，一路输出至样品臂组件光路；输出至参考臂组件光路的激光，通过光纤准直镜转为空间平行光束，通过聚焦镜聚焦在平面反射镜上，在反射镜上发生反射，沿原路返回至光纤耦合，耦合至参考臂组件光纤中，为系统提供参考光信号。参考臂组件可以通过线性电动模组调节镜筒与光纤准直镜之间的距离，调整系统的参考光程，以适配不同焦距的激光焊接头组件和不同离焦量的焊接工况。

进一步的，所述聚焦镜和反射镜安装到可调式镜筒上，可以调节二者之间的距离，从而更改参考光的返回功率。

进一步的，所述样品臂组件设置于激光焊接头组件上的二号光纤准直镜及振镜；光纤准直镜将样品臂组件光纤光转为空间平行光束，通过振镜输入激光焊接头组件，随后探测激光通过分光镜的反射和聚焦镜的聚焦作用，照射在工件表面，聚焦光斑的位置可以通过振镜偏转进行调整。

进一步的，所述光源为激光焊接熔深信息监测设备提供探测光信号，为宽带的sld激光器，使用fc/apc光纤接口输出。

进一步的，所述聚焦镜为双胶合消色差透镜或空气隙消色差透镜。

进一步的，所述反射镜为平面反射镜或球面反射镜。

进一步的，所述控制主机组件包括振镜控制卡、图像采集卡及光谱分析单元；振镜控制卡用于控制振镜扫描和触发光谱仪采集，图像采集卡用于接收和采集干涉信号的光谱信号；光谱分析单元进行数据处理和信息提取，所述光谱分析单元包括：用于接收干涉信号的光谱信号接收模块；用于对所述干涉信号进行提取的信号提取模块；对提取的信号进行降噪处理的信号降噪模块；以及对所述信号进行处理的信号处理模块。

进一步的，通过光学机箱组件中的光源提供探测激光信号，通过光纤输入至参考臂组件中的光纤耦合器中，激光在光纤耦合器中分为两路，一路在参考臂组件中产生沿原路返回的参考光信号，一路输出至样品臂组件中，依次经过样品臂组件的光纤准直镜、振镜及激光焊接头组件，聚焦在工件表面上，探测光在工件表面发生反射，通过调节参考臂组件的聚焦镜与反射镜之间的距离调节参考臂组件的返回率，通过线性电动模组调节参考臂组件的光程；反射信号包含工件表面的距离信息，并原路返回，在光纤耦合器中与参考光信号发生干涉，干涉信号由光学机箱组件中的光谱仪采集并传输至控制主机组件中进行处理，由控制主机组件进行数据处理和信息提取分析，实现激光焊接熔深信息监测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备，通过参考臂组件的电动调节可以适配不同焦距的焊接头组件、不同离焦量的焊接工况,通过样品臂组件的振镜扫描实现工件表面三维形貌的采集，提高设备校正的便捷性。

2.本发明的光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备，设备通过偏置扫描可以在一次焊接流程中，实现焊前、焊中、焊后焊接质量的监测，实现焊缝寻径、焊缝跟踪、工件装夹质量监测、熔深监测以及成型焊缝高度、宽度检测等功能。

3.本发明的光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备，拓展了光学低相干技术在焊接领域的应用，将多项功能集成在同一设备中，不影响产线的节拍速度，可以有效提高产线产品的生产效率和合格率。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的整体结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的设备光学机箱组件整体结构示意图；

图3为本发明较佳实施例的设备参考臂组件结构示意图；

图4为本发明较佳实施例的样品臂组件整体结构示意图；

图5为本发明较佳实施例的熔池的三维形貌图；

图中：1-光学机箱组件，11-光源，12-光谱仪，13-驱动器，14-端子，15-plc组件，16-直流电源模块，2-控制主机组件，3-参考臂组件，31-光纤准直镜，32-光纤耦合器，33-聚焦镜，34-反射镜，35-缓震垫，36-线性电动模组，37-参考臂组件支架，4-样品臂组件，41-激光焊接头组件，42-光纤准直镜，43-振镜，44-分光镜，45-聚焦镜，5-焊接头组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备，该设备由光学机箱组件、控制主机组件、参考臂组件和样品臂组件组成。光学机箱组件负责提供光源信号和采集干涉信号，控制主机组件用于处理系统数据、显示处理结果以及外部设备交互，参考臂组件可以提供系统的参考信号，样品臂组件可以与焊接头组件集成，实现探测光的扫描探测。

下面结合附图，对本发明技术进行说明，

请参考图1，一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测设备，包括光学机箱组件1、控制主机组件2、参考臂组件3、样品臂组件4及焊接头组件5，所述光学机箱组件1、控制主机组件2设置于工业焊接机器人底部，所述参考臂组件3设置于工业焊接机器人中部，所述样品臂组件4设置于工业焊接机器人的焊接头组件5上，所述参考臂组件3和样品臂组件4之间通过光纤6连接；光学机箱组件1负责提供光源信号和采集干涉信号，控制主机组件2用于处理系统数据、显示处理结果以及外部设备交互，参考臂组件3提供系统的参考信号，样品臂组件4与焊接头组件集成，实现探测光的扫描探测。

请参考图2，所述光学机箱组件1包括位于光学机箱组件中中部的光源11、电气连接端子14及直流电源模块16；位于光学机箱组件两侧的光谱仪12、线性模组驱动器13及plc组件15，图中未标明开关、继电器等小型电气器件，其他已在图中标明；光谱仪12为本设备的干涉信号采集装置，可以实现干涉光谱的高速采集；线性模组驱动器3为参考臂组件线性模组提供驱动信号，控制参考臂组件的光程变化；电气连接端子4连接机箱内部的各电气器件；plc组件5为激光焊接熔深信息监测设备的电气信号输入和输出接口，可以和机器人、焊接机床等外部设备进行联动；直流电源模块16负责为设备光源和驱动器供电。

请参考图3，所述参考臂组件3包括参考臂组件支架37，参考臂组件支架37内部依次设有一号光纤准直镜31、光纤耦合器32、聚焦镜33、反射镜34，聚焦镜33、反射镜34下方设置线性电动模组36，参考臂组件支架37底部设有缓震垫35，其中光纤准直镜31、聚焦镜33和反射镜34组成设备的参考臂组件空间光路；光纤耦合器32将激光分为两路，通过光纤一路输出至参考臂组件光路，一路输出至样品臂组件光路；输出至参考臂组件光路的激光，通过光纤准直镜31转为空间平行光束，通过聚焦镜33聚焦在平面反射镜34上，在反射镜上发生反射，沿原路返回至光纤耦合32，耦合至参考臂组件光纤中，为系统提供参考光信号。参考臂组件可以通过线性电动模组调节镜筒与光纤准直镜31之间的距离，调整系统的参考光程，以适配不同焦距的激光焊接头组件和不同离焦量的焊接工况。

请参考图4，所述聚焦镜33和反射镜34安装到可调式镜筒上，所述聚焦镜33为双胶合消色差透镜或空气隙消色差透镜；所述反射镜34为平面反射镜或球面反射镜，可以调节二者之间的距离，从而更改参考光的返回功率。

所述样品臂组件4包括设置于激光焊接头组件上的二号光纤准直镜42及振镜43；光纤准直镜42将样品臂组件光纤光转为空间平行光束，通过振镜43输入激光焊接头组件41，随后探测激光通过分光镜44的反射和聚焦镜45的聚焦作用，照射在工件表面，聚焦光斑的位置可以通过振镜43偏转进行调整。

所述光源11为激光焊接熔深信息监测设备提供探测光信号，为宽带的sld激光器，使用fc/apc光纤接口输出。

所述控制主机组件2包括振镜控制卡、图像采集卡及光谱分析单元；振镜控制卡用于控制振镜扫描和触发光谱仪采集，图像采集卡用于接收和采集干涉信号的光谱信号；光谱分析单元进行数据处理和信息提取，所述光谱分析单元包括：用于接收干涉信号的光谱信号接收模块；用于对所述干涉信号进行提取的信号提取模块；对提取的信号进行降噪处理的信号降噪模块；以及对所述信号进行处理的信号处理模块；进行信号的降噪、熔深提取、曲线拟合等算法处理。

在焊接过程中，通过光学机箱组件1中的光源11提供探测激光信号，通过光纤输入至参考臂组件3中的光纤耦合器32中，激光在光纤耦合器32中分为两路，一路在参考臂组件3中产生沿原路返回的参考光信号，一路输出至样品臂组件4中，依次经过样品臂组件4的光纤准直镜42、振镜43及激光焊接头组件41，聚焦在工件表面上，探测光在工件表面发生反射，通过调节参考臂组件3的聚焦镜33与反射镜34之间的距离调节参考臂组件的返回率，通过线性电动模组调节参考臂组件的光程；反射信号包含工件表面的距离信息，并原路返回，在光纤耦合器32中与参考光信号发生干涉，干涉信号由光学机箱组件1中的光谱仪采集并传输至控制主机组件2中进行处理，由控制主机组件2进行通过熔深提取和滤噪方法数据处理和信息提取分析，获取工件的装配间隙、表面高度和中心轨迹，实现焊缝寻径、焊缝跟踪、工件装夹质量监测、工件高度监测；设备通过振镜将探测激光对准熔池匙孔，通过熔深提取和滤噪方法可以获得焊缝熔深曲线；通过振镜扫描对熔池进行三维成像（参考图5），寻找匙孔相对于焊接激光中心的偏移量；实现激光焊接熔深信息监测。

本发明中设备通过振镜前置扫描，可以采集焊接前焊缝的形貌信息，可以获取工件的装配间隙、表面高度和中心轨迹，实现焊缝寻径、焊缝跟踪、工件装夹质量监测、工件高度监测功能；设备通过振镜将探测激光对准熔池匙孔，通过熔深提取和滤噪方法可以获得焊缝熔深曲线，实现熔深监测功能；通过熔深提取和滤噪方法可以获得焊缝熔深曲线步骤为：

步骤一：干涉信号在非均匀逆傅里叶变换前，减去均值后的参考光数据，去除干涉信号中的直流项信号。

步骤二：对干涉信号进行非均匀逆傅里叶变换处理，可以提高系统在较大探测深度的灵敏度。

步骤三：使用自适应阈值方法对逆傅里叶变换后的信号进行峰值滤噪，具体如下：设定阈值系数θ，干涉信号峰值记为max，则滤噪阈值为θ•max，高于阈值的信号记作噪声信号。

步骤四：提取自适应阈值滤噪后信号峰值，该峰值对应的深度记为该信号对应位置的深度，通过对持续的系统信号分析处理，可以获得沿焊缝方向的不同位置的熔深散点信息。

步骤五：计算熔深散点在不同深度间隔上的概率密度分布曲线，基于熔深散点的概率密度分布进行有效区域划分。

步骤六：使用百分比滤波法从熔深散点中，拟合出激光焊接熔深曲线。

步骤七：百分比滤波法处理后，可以获得不同焊缝位置对应的熔深，即可获取焊缝的初始熔深曲线，再通过移动窗口平均法对曲线进行平滑处理，可以获得焊缝最终的熔深曲线。

设备通过振镜后置扫描采集成型焊缝的形貌信息，实现成型焊缝的焊宽和焊高检测功能。本发明中使用高速扫描振镜，可以在一次焊接工序中实现焊前偏置、焊中对准和焊后偏置扫描，实现上述的全部功能，节省产线时间。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。