一种金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法

本发明涉及激光焊接质量评估，具体是一种金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法。

背景技术：

1、激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中，激光连接金属-聚合物异种材料在生物医学领域(包括微流控生物芯片、眼耳植入物、假体)和微机电系统、汽车、航空航天领域、食品包装行业等方面的应用越来越受到人们认可，通过合理的设计工艺，金属-聚合物异种材料异种结构可以实现原子间键合，金属-聚合物异种材料的连接在制造业不仅达到了轻量化的目的，又能保持异种结构良好的机械强度比，另外，与金属相比，聚合物耐腐蚀且耐疲劳，因此，异种材料的结合为单一材料制造组件的技术和经济竞争力铺平了道路。

2、传统在对金属-聚合物异种材料的连接强度的评定一般采用破坏性测试，例如：剥离测试、拉伸剪切试验或热循环试验，由于不可能对所有成品零件进行100％的检测，无损检测的方法是十分重要的手段，目前在金属与聚合物异种材料的激光连接中使用的无损检测方法包括：k型热电偶、红外摄像机、光电传感器、高速摄像机、光学相干层析成像(oct)、超声干涉等多种方法用于焊接过程监控和质量检测，实现高效高质量制造。其中，k型热电偶主要用于检测焊接过程中熔池温度，其成本较低，但是放置困难，温度检测不准确；红外摄像机主要用于监测激光焊接过程中加热区域的热分布，需要提前标定，操作复杂，设备昂贵，采样速度慢；金属与聚合物异种材料的激光连接中气泡的形成影响接头的质量，高速摄像机用于监测激光连接过程中聚合物异种材料因受热产生的气泡的形貌和行为，但只能用于透明塑料，且原始数据为二维图像，数据量较大特征提取复杂，难以实现在线质量评估；光学相干层析成像能够用于检测金属-聚合物异种材料接头的尺寸和熔透深度，但是其造价昂贵，在检测熔透深度时易受到外部环境干扰，精度较差，测量效率低；超声干涉法也可用于监测金属-聚合物异种材料接头内部的连接质量，但是其对连接件的平整度要求较高，而接头会因为受到激光加热的影响产生应力形变导致检测精度降低。

3、激光焊接过程是典型的光、电、磁、热等多物理场耦合的过程，材料通过吸收激光辐射产生热量而发生熔化形成熔池，随着热输入的增加，温度达到金属沸点以上，熔池由于蒸发而产生的反冲压力导致熔池表面下降最后形成匙孔，蒸发的原子和原子团导致在金属表面形成超细颗粒或烟雾从匙孔入口向上喷出形成羽流，而匙孔壁或入口周围的熔体有时会以飞溅或熔融液滴的形式喷射出来形成飞溅；对于金属与聚合物异种材料的激光连接，激光与材料的作用主要发生在金属侧，聚合物异种材料的热分解融化程度取决于其从金属侧吸收的热辐射的多少，激光连接过程中熔池、飞溅以及羽流等状态都会影响光电信号的改变，因此，可通过基于监测激光连接金属与聚合物异种材料的光电信息的变化来判断接头的质量，基于此，我们通过基于监测激光连接金属与聚合物异种材料的光电信息的变化来判断接头的质量，提出一种金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法，包括金属、聚合物异种材料和金属-聚合物异种材料激光连接过程在线质量监测装置，其方法步骤如下：

4、s1：建立金属-聚合物异种材料激光连接过程在线质量监测系统；

5、s2：通过试验确定评价判断标准；

6、s3：根据已知的判断标准进行在线质量评价，确定质量连接的好坏。

7、作为本发明进一步的方案：所述s1中，通过金属-聚合物异种材料激光连接过程在线质量监测装置建立金属-聚合物异种材料激光连接过程在线质量监测系统，第一步：通过光电传感器通过分光镜a和分光镜b来采集焊接过程中产生的光辐射，然后通过对分光镜c、分光镜d和分光镜e镀膜实现不同波段的分光效果将光辐射分成可见光波段(200-800nm)、激光反射波段(1060nm)和红外辐射波段(1200-1800nm)，可见光波段(200-800nm)、激光反射波段(1060nm)和红外辐射波段(1200-1800nm)分别传输到达对应的感光单元转换成电信号；第二步，将电信号通过信号线传输至数据采集卡，通过数据采集控制器进行放大处理；第三步：通过数据采集控制器进行放大处理后的信号被采集至pc端，通过pc端的激光焊接检测分析软件进行处理、分析、输出监测结果。

8、作为本发明再进一步的方案：所述s2中，首先确定评价标准：其中，均值设置为μ，标准差设置为θ，第一步：通过采集n(n>10)次激光连接金属-聚合物异种材料在最优工艺参数下整个过程中的可见光波段的原始信号xi(i＝1,2…n)；第二步：通过使用巴特沃夫带通滤波器(带通频率范围：750-800hz)对原始信号xi(t)进行滤波得到频率范围为772hz左右的信号si(t)，求出该频率范围的能量谱ei，如公式1所示：

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10、通过公式进行能量谱的均值和标准差的计算，如公式2和公式3所示：

11、

12、

13、作为本发明再进一步的方案：所述s3中，根据判断标准进行在线质量评价，通过光电传感器同步采集辐射的光电信号，并自动判断连接质量的好坏(弱连接与强连接)，自动判断连接质量的好坏，首先，采集原始信号，原始可见光信号经过带通滤波器得到772hz频率范围的有用信息，求出该信号的能量谱并与标准值进行比对，进而，根据合格率的高低确定强连接的能量谱范围，若合格率要求较高则按判断得到能量谱是否在μ±θ范围内，满足则为强连接，不满足则为弱连接，从而评估出接头处的质量好坏。

14、作为本发明再进一步的方案：所述金属-聚合物异种材料激光连接过程在线质量监测装置包括激光器、三轴运动平台、保护气、分光镜a、分光镜b、分光镜c、分光镜d、分光镜e、光电传感器、数据采集卡和pc端。

15、作为本发明再进一步的方案：所述数据采集卡设置有数据采集控制器。

16、作为本发明再进一步的方案：所述pc端设置有激光焊接检测分析软件。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1、本发明金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法中，通过对金属-聚合物异种材料焊接过程中产生的光辐射进行采集，进而转换成光电信号，并对光电信号进行处理分析，实现便捷的监测焊接质量的目的，连接过程中可见光波段的772hz频率范围的信号能够有效判别接头强弱，仅仅只需要在少样本条件下确定强连接对应的可见光辐射信号的判断标准，即可在后续加工中自动判断连接强弱，从而大大提高了生产效率，降低了人力成本。

19、2、本发明金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法中，通过光电传感器的设置，相较于其他在线监测设备，光电传感器价格低廉，制备简单，安装更加方便，并且光电传感器拥有较高的采样频率和精度，相较于传统的高速相机或红外相机，其原始数据为简单的离散一维数据，在线计算简单，实时监测速率快。

20、3、本发明金属-聚合物异种材料激光连接的在线质量评估方法中，仅需要通过小样本统计出判断标准，对原始数据只需要进行滤波和求积分计算，算法简单高效，实现了实时判断接头连接的强弱，总体使用效率高，判断精准，整体优于现有技术，可以更好的对金属-聚合物异种材料的焊接连接质量进行监测。