双波长同轴光斑差的焦点在线检测装置及方法、激光系统与流程

本发明涉及激光焦点检测，具体涉及一种双波长同轴光斑差的焦点在线检测装置及方法、激光系统。

背景技术：

1、目前，在新能源产业快速扩张的背景下，动力电池与储能电池的产能规模持续增长，市场对电池产品的安全标准、性能指标及使用寿命提出更高要求。锂电池内部极柱、极耳、集流盘、密封钉等关键连接部位的焊接质量，是保障电池长期稳定运行的关键环节。激光焊接作为一种高精度、高效率的连接技术，已成为锂电池制造中不可或缺的核心工艺，其工艺稳定性直接影响电池成品的整体质量与市场竞争力。实际生产中，激光焊接工艺对光束聚焦状态具有高度敏感性，焦点位置的微小变化会直接改变激光能量在工件表面的分布形态，进而影响熔池形成、焊缝成形及连接强度。一旦焦点偏离最佳工艺区间，极易产生焊接不牢、熔深不足、表面飞溅、局部过热等问题，造成产品性能下降甚至安全隐患。生产现场环境复杂，光学元件受热变形、镜片污染、机械振动、工件装夹偏差等因素，都会导致焦点位置发生动态偏移。常规的人工校准或离线标定方式，难以实时掌握焦点变化情况，无法实现动态调整与过程管控，制约了生产效率的提升与产品质量的稳定，亟需建立有效的焦点在线检测机制（主要检测激光焦点与工件表面在光轴方向上的距离偏差）。

2、相关技术中，传统的焦点在线检测方案主要包括电容式测距方案、旁轴激光三角测距方案、单波长同轴光斑检测方案三类。其中，电容式测距方案依托极板电容变化实现间距检测，结构简单，响应速度快；旁轴激光三角测距方案基于光学三角成像原理，通过侧方光路测距，装配便捷，通用性强；单波长同轴光斑检测方案与加工激光光路同轴，通过采集反射光斑形态判定焦点位置，集成度高、无外置遮挡干扰问题。

3、但是，电容式测距方案依赖喷嘴与工件间电容变化，焊接过程中等离子体、烟尘、氧化皮等会导致电容信号剧烈波动，信噪比低，检测稳定性差，难以保证高精度焦点控制。旁轴激光三角测距方案依赖旁轴探测光的反射光斑，烟尘等易遮挡探测光路，工件曲面或倾斜表面易导致光斑偏移、畸变，检测失效概率高，抗干扰能力差。单波长同轴光斑检测方案仅采用单一波长探测光，焦点附近瑞利长度内光斑尺寸变化极小，微米级离焦量对应的光斑尺寸变化不足1%，传感器难以有效分辨，检测灵敏度低，微小焦点漂移无法识别，仅适用于离线静态标定，无法用于加工过程在线闭环控制。

技术实现思路

1、本技术提供一种双波长同轴光斑差的焦点在线检测装置及方法、激光系统，检测稳定性好，抗干扰能力强，灵敏度高，精度高，在线实时性好。

2、第一方面，本技术实施例提供一种双波长同轴光斑差的焦点在线检测装置，包含第一波长探测光源模块、第二波长探测光源模块、第一合束分光镜、分色反射镜和成像采集模块；

3、所述第一合束分光镜和分色反射镜均为第一种二向色镜，对第一波长探测光源模块输出的第一波长探测光高透低反、且对第二波长探测光源模块输出的第二波长探测光高反低透；

4、所述第一波长探测光经第一合束分光镜，同时第二波长探测光依次经分色反射镜和第一合束分光镜，形成双波长同轴探测光，并与加工激光合束成三束同轴光，经过聚焦后落在工件表面；反射的双波长同轴探测光同时经第一合束分光镜和分色反射镜进入成像采集模块，所述成像采集模块获取双波长探测光的光斑尺寸差值，查表得到焦点离焦量。

5、结合第一方面，在一种实施方式中，所述焦点在线检测装置还包含第二合束分光镜，所述第二合束分光镜为第二种二向色镜，对加工激光高反、对双波长同轴探测光高透；所述第二合束分光镜用于供入射的双波长同轴探测光透射经过并与加工激光合束成三束同轴光，还用于对反射的加工激光及双波长同轴探测光进行过滤分光，仅使双波长同轴探测光透射经过自身。

6、结合第一方面，在一种实施方式中，所述第一波长探测光在入射过程中经过第一合束分光镜透射自身大比例光，所述第二波长探测光在入射过程中先经过分色反射镜反射自身大比例光，再经过第一合束分光镜反射自身大比例光；

7、所述双波长同轴探测光在反射过程中，所述第一波长探测光先经过第一合束分光镜反射自身小比例光，然后经过分色反射镜透射自身大比例光；所述第二波长探测光先经过第一合束分光镜反射自身大比例光，然后经过分色反射镜透射自身小比例光。

8、结合第一方面，在一种实施方式中，所述成像采集模块包含分光棱镜、第一成像镜、第二成像镜、第一图像传感器和第二图像传感器；

9、所述分光棱镜用于从双波长同轴探测光分出第一波长探测光和第二波长探测光；所述第一成像镜和第一图像传感器用于对第一波长探测光进行成像，获取第一光斑图像；所述第二成像镜和第二图像传感器用于对第二波长探测光进行成像，获取第二光斑图像。

10、结合第一方面，在一种实施方式中，所述焦点在线检测装置还包含信号处理控制单元，所述信号处理控制单元实时接收成像采集模块的数据，并计算双波长探测光的光斑尺寸差值，并查表获取焦点离焦量。

11、结合第一方面，在一种实施方式中，所述第一波长探测光源模块和第二波长探测光源模块间隔设置，且输出的双波长探测光彼此间隔平行；

12、所述第一合束分光镜和分色反射镜均相对于探测光呈45°设置，且彼此平行间隔设置，且均以自身中心承接各自的探测光；所述第二合束分光镜相对于探测光呈45°设置，且其平面垂直于第一合束分光镜的平面；所述成像采集模块的轴线、第一合束分光镜的背入射光面中心和分色反射镜的背入射光面中心，在一条直线上。

13、结合第一方面，在一种实施方式中，所述第一波长探测光源模块内部集成第一准直镜，所述第二波长探测光源模块内部集成第二准直镜；所述第一波长探测光经第一准直镜准直后，入射至第一合束分光镜；所述第二波长探测光经第二准直镜准直后，入射至分色反射镜。

14、第二方面，本技术实施例提供了一种基于上述焦点在线检测装置的检测方法，包含以下步骤：

15、s1：入射过程中，所述第一波长探测光经过第一合束分光镜透射，同时所述第二波长探测光先经过分色反射镜反射再经过第一合束分光镜反射，合束形成双波长同轴探测光，并与加工激光合束成三束同轴光，经过聚焦后落在工件表面；

16、s2：反射过程中，先将反射的加工激光被过滤，双波长同轴探测光中的所述第一波长探测光和第二波长探测光均先经过第一合束分光镜反射，然后经过分色反射镜透射进入成像采集模块，所述成像采集模块获取双波长探测光的光斑尺寸差值，并查表得到焦点离焦量。

17、结合第二方面，在一种实施方式中，所述焦点在线检测装置还包含第二合束分光镜和信号处理控制单元；所述第二合束分光镜为第二种二向色镜，对加工激光高反、对双波长同轴探测光高透；

18、步骤s1包含：

19、双波长同轴探测光透射经过第二合束分光镜，加工激光经第二合束分光镜反射，加工激光和双波长同轴探测光合束成三束同轴光，所述三束同轴光经过同时聚焦落在工件表面；

20、步骤s2包含：

21、s21:双波长同轴探测光和反射的加工激光形成的混合光原路反射，混合光中反射的加工激光经过第二合束分光镜时被过滤掉，而混合光中的双波长同轴探测光透射经过第二合束分光镜；

22、s22:双波长同轴探测光进入成像采集模块，成像采集模块形成第一光斑图像和第二光斑图像，所述信号处理控制单元实时接收成像采集模块的数据，并计算双波长探测光的光斑尺寸差值，并查表获取焦点离焦量；

23、s23:基于所述焦点离焦量，驱动z轴随动系统动态补偿焦点漂移，实现加工过程焦点位置闭环控制。

24、第二方面，本技术实施例提供了一种激光系统，包含：

25、上述焦点在线检测装置，其还包含第二合束分光镜，所述第二合束分光镜为第二种二向色镜，对加工激光高反、对双波长同轴探测光高透；

26、加工激光发射模块，用于输出焊接用的加工激光；

27、聚焦镜，其同轴设置于第一波长探测光源模块输出时的第一波长探测光；

28、所述加工激光经过第二合束分光镜反射，与透射经过第二合束分光镜的所述双波长同轴探测光，合束成三束同轴光，经过聚焦镜聚焦后落在工件表面。

29、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

30、本技术的焦点在线检测装置及检测方法，第一波长探测光源模块输出第一波长探测光，第二波长探测光源模块输出第二波长探测光，同时巧妙设置特殊的第一合束分光镜和分色反射镜，均为第一种二向色镜，对第一波长探测光高透低反、且对第二波长探测光高反低透，进而能够在入射时形成双波长同轴探测光，并与加工激光合束成三束同轴光，在反射时能够同时进入成像采集模块，成像采集模块获取双波长同轴探测光的光斑尺寸差值，并查表得到焦点离焦量；本技术的焦点在线检测装置旨在通过双波长同轴探测光路设计与光斑差传感原理创新，从根本上解决单波长同轴光斑检测灵敏度不足、传统在线方案抗干扰能力弱的问题，实现激光加工过程中焦点位置的高灵敏度、高精度、高稳定性在线检测，抗干扰能力强，在线实时性好，进一步保障激光焊接过程的稳定性、一致性与可靠性，满足锂电池精密焊接对微米级焦点控制的严苛要求。

31、本技术的焦点在线检测装置及检测方法，不仅利用双波长同轴探测光的焦点位置固有预设偏移，将瑞利长度内（瑞利长度内，指的是激光焦点附近光斑尺寸变化最不敏感的区域）微小离焦量转化为显著的光斑尺寸差值，灵敏度提升5～20倍，大幅提升焦点检测灵敏度，可稳定识别±5μm级焦点漂移，满足精密焊接需求；还可实时输出离焦量信号，驱动z轴随动系统动态补偿焦点漂移，实现加工过程焦点位置闭环控制，有效降低虚焊、飞溅、熔深不均等缺陷率，提升产品良品率与生产一致性，在线闭环，实时补偿，在线实时性好；一方面不受工件表面粗糙度、熔融状态、倾斜角度影响，可适配平面、曲面、异形工件焊接场景，鲁棒性强，适应性广。