光纤激光焊接机在线监测系统、应用及光纤激光焊接机的制作方法

1.本发明属于激光应用领域，更具体地，涉及一种光纤激光焊接机在线监测系统、应用及光纤激光焊接机。


背景技术：

2.光纤激光焊接机是光纤激光器为激光源，经过聚焦透镜组发出高功率光斑，照射在加工材料上，实现焊接。光纤激光焊接机具有设备体积小、结构紧凑、可靠性高、光束质量好、熔深大、变形小的优势，有着广阔的工业应用前景。
3.光纤激光焊接机的焊接效果由光纤激光器的输出光斑质量决定。光纤激光器的输出光斑存在质量不稳定的情况，包括烤机过程中光斑亮度下降、能量出现周期性变化等等。光纤激光器的输出稳定度是影响焊接质量的重要因素。
4.目前，对激光焊机的输出稳定度检测，集中在输出能量检测。例如中国专利文献cn 102507000 a提供了一种激光焊接机输出激光能量的检测电路，通过采样电路实现激光功率转换成电流信号，电流信号转换成电压信号，通过电压信号反应输出能量的高低。
5.然而直接检测激光焊接机的输出能量，不能在激光焊接机工作过程中进行，因此不能实时在线的反应激光焊接机的工作状态，而激光焊机的输出不稳定性往往在持续工作过程中随着激光器的工作环境和状态出现。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤激光焊接机在线监测系统、应用及光纤激光焊接机，其目的在于，通过对光纤激光焊接机输出激光进行采样，实时监测输出激光拉曼光波段的功率变化，从而判断激光焊接机输出光束质量和工作状态，实现在线监测，由此解决现有技术只能在非工作状态下检测激光焊接机的输出能量密度，不能实现在线监测以及不能通过光谱特征分析光束质量的技术问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤激光焊接机在线监测系统，其特征在于，包括分光器、检测光路，以及光电探测器；
8.所述分光器，与光纤激光焊接机的激光传输光纤或设置于焊接头光路中，用于对输出激光进行采样，并将采样获得的检测光输入到检测光路；
9.所述检测光路，至少包括选择检测波段的滤波器；所述滤波器，用于选择拉曼光波段的光信号；
10.所述光电探测器，与检测光路的输出相连，用于探测检测光路输出的检测波段的光功率。
11.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其所述分光器与光纤激光焊接机的激光传输光纤相连，采用光纤分光器；或
12.所述分光器设置于焊接头光路中，采用分光镜。
13.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其所述监测光路还包括光衰减器，用
于检测光的光功率调整到检测光路的工作光功率范围。
14.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其所述光衰减器为可变光衰减器，以根据不同的光纤激光焊接机输出功率调整采样获得的检测光的光功率。
15.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其所述监测光路还包括光隔离器，所述光隔离器，用于避免可能的回光对光纤激光焊接机中光纤激光器的影响。
16.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其还包括温度探测仪，所述温度探测仪用于探测光纤激光焊接机中光纤激光震荡腔的光纤光栅工作温度。
17.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其所述温度探测仪用于探测光纤激光焊机中光纤激光震荡腔的输出端光纤光栅工作温度。
18.优选地，所述光纤激光焊接机在线监测系统，其所述温度探测仪为连续无接触式温度传感器。
19.按照本发明的另一个方面，提供了一种光纤激光焊接机在线监测系统的应用，其应用于高功率连续型激光焊接机的在线监测。
20.按照本发明的另一个方面，提供了一种连续激光焊接机，其包括泵浦模块、合束器、光纤激光震荡腔，剥模器，激光传输光纤、激光焊接头、以及本发明提供的光纤激光焊接机在线监测系统；所述光纤激光焊接机在线监测系统与所述激光传输光纤或者激光焊接头通过分光器相连。
21.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：
22.本发明提供的光纤激光焊接机在线监测系统，通过对输出激光进行采样，对拉曼光波段的光功率信号进行实时监测，代替对全波段的输出光谱分析，能做到实时响应、在线监测的同时，较为准确判断激光输出质量，从而判断激光焊接机工作状态。
23.优选方案，结合拉曼光波段的光功率和光纤焊接机光纤激光震荡腔的输出端光纤光栅工作温度信息，可以更加准确而迅速的判断引起光束质量下降的原因，及时采取相应措施。
附图说明
24.图1是本发明提供的光纤激光焊接机在线监测系统结构示意图；
25.图2是激光焊接机结构示意图；
26.图3是激光焊接机的光斑能量测试结构图；
27.图4是激光焊接机不同输出功率下光谱分析图；
28.图5是激光焊接机最大功率运行测试输出能量监测结果图；
29.图6是本发明实施例提供的激光焊接头分光器结构示意图；
30.图7是本发明实施例提供的采用光纤分光器的光纤激光焊接机在线监测系统结构示意图。
31.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为高功率连续型激光器，2为分光器，21为光纤分光器，22为分光镜，3为检测光路，31为光衰减器，32滤波器，4为光电探测器，5为温度探测器，6为激光传输光纤，7为焊接头，71为激光入射接头，72为准直镜组，73为聚焦镜，74为耦合透镜。
具体实施方式
32.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。
33.光纤激光焊接机的焊接效果不稳定，不仅仅与激光器的输出能量相关，同时与光纤激光器的输出光谱有关。光纤激光焊接机中有多种因素影响最终输出的光谱。比较明显的影响因素有：光纤激光器中光栅受温度影响，引起光谱漂移；增益介质的拉曼散射现象，出现拉曼光导致光谱杂乱，甚至在持续焊接过程中产生拉曼回光，甚至可能经过放大之后造成光纤激光器损毁；光纤内基模和高阶模之间发生快速动态耦合导致光束质量退化，影响光纤激光焊接机的焊接质量，研究显示当受激拉曼散射达到一定阈值时，横向模式不稳定效应会突然出现，光纤激光器的输出光谱变化同样与模式不稳定效应具有关联性，会影响激光焊接机的焊接效果。
34.然而目前检测激光焊接机性能，仅仅检测最终的输出光斑能量，而不进行光谱检测。进行光谱检测需要对光斑进行采样后，使用光谱仪进行光谱分析。光谱分析仪设备昂贵、成本较高，且分析速度较慢，当前亦无法满足在线光谱检测的需求。
35.而对于高功率连续型的激光焊接机，不能进行实时在线的监测，如果光束质量不佳或者能量密度不稳定，轻则导致焊接加工质量下降，产品不良率高或者批次一致性较差，严重的情况造成光纤激光焊接机损毁。
36.本发明提供了一种光纤激光焊接机在线监测系统，如图1所示，应用于高功率连续型激光焊接机的在线监测，具体指输出功率在1kw以上的连续型激光焊接机，包括分光器2、检测光路3，以及光电探测器4；优选包括温度探测仪5、以及监视器8；
37.所述分光器2，与光纤激光焊接机的激光传输光纤6或设置于焊接头7光路中，用于对输出激光进行采样，并将采样获得的检测光输入到检测光路3。在一些实施例中，所述分光器与光纤激光焊接机的激光传输光纤6相连，可采用光纤分光器21，这种方案采用全光纤结构，较为紧凑，可靠性好，但在连接头处损耗较大，不适用于超高功率激光器。在一些实施例中，所述分光器设置于焊接头7光路中，可采用分光镜22，这种方案不会带来明显的温升，损耗更小，然而需要增加额外的透镜组，光路结构较为复杂。
38.所述检测光路3，至少包括选择检测波段的滤波器32，优选依次包括光衰减器31、光隔离器、滤波器32。所述滤波器32，用于选择拉曼光波段的光信号，优选所述滤波器用于选择斯托克斯光波段的光信号。所述光衰减器31，用于检测光的光功率调整到检测光路的工作光功率范围，优选为可变光衰减器，以根据不同的光纤激光焊接机输出功率调整采样获得的检测光的光功率。所述光隔离器，用于避免可能的回光对光纤激光焊接机中光纤激光器的影响。
39.所述光电探测器4，与检测光路3的输出相连，用于探测检测光路3输出的检测波段的光功率。
40.所述温度探测仪5，用于探测光纤激光焊接机中光纤激光震荡腔的光纤光栅工作温度，优选用于探测光纤激光焊机中光纤激光震荡腔的输出端光纤光栅工作温度。优选所述温度探测仪为连续无接触式温度传感器，例如红外温度传感器，其探测元件瞄准光纤激
光焊接机光纤激光震荡腔的输出端光纤光栅。
41.所述监视器8，用于现实所述温度探测仪5以及光电探测器4的实时数据，以监测光纤激光焊接机的工作状态。
42.拉曼光波段的光功率，正常情况下同时受到光纤激光焊接机中光纤激光震荡腔的光纤光栅工作温度、增益介质的受激拉曼散射强度影响，异常情况下，拉曼回光经过放大能会显著的影响拉曼光波段的光功率，同时拉曼光波段的光功率信号，与光纤激光焊接机中光纤激光器的横向模式不稳定现象具有强关联性。因此对拉曼光波段的光功率进行监测，用于判断激光焊接机是否处于良好的工作状态下从而稳定、良好的完成激光焊接，能够很大程度上代替输出光谱全光谱分析，较之仅仅检测焊接头的输出能量，能够更好的判断由于光谱杂乱，导致的光束质量退化、光功率不稳定导致的焊接效果不理想。由于无需采用光谱仪分析，对输出光谱进行全程分析，能实现检测结果的实时响应，从而对光纤激光焊接机的工作状态实现在线监测。
43.优选方案，结合对光纤激光焊接机光纤激光震荡腔的关键器件光纤光栅的工作温度在线监测，能更加准确的分析引起焊接效果不佳或者不稳定的原因，从而采取相应的措施，对光纤激光焊接机的工作状态进行调整。
44.具体而言，当本发明提供的光纤激光焊接机的在线监测系统显示光电探测器探测到的检测波段的光功率出现小幅变化时，需要同时观察温度探测仪探测到的光纤激光焊接机中光纤激光震荡腔的光纤光栅工作温度。
45.如果光纤激光焊接机中光纤激光震荡腔的光纤光栅工作温度，出现持续而稳定的升高，说明光谱受到了光纤光栅的影响，需要采用散热措施，控制光纤激光器的工作温度；
46.如果光纤激光焊接机中光纤激光震荡腔的光纤光栅工作温度在正常范围之内，则持续观察光电探测器探测到的检测波段的光功率是否出现反复来回变化；如果出现，则激光传输光纤可能出现了横向模式不稳定的现象，考虑降低其热负载，加强散热或者降低输出功率。
47.当本发明提供的光纤激光焊接机的在线监测系统显示光电探测器探测到的检测波段的光功率出现大幅增强时，考虑拉曼回光效应，应尽快停机报警，避免激光焊接机损伤。较之拉曼回光造成的光斑能量的明显变化，由于拉曼回光导致的拉曼光光功率信号变化能更明显且更早的被检测到，故本发明能更早的采取相应处理手段，更好的保护光纤激光焊接机，避免光纤激光焊接机受到拉曼回光导致的损伤。
48.以下为实施例：
49.本实施例以1080nm最大输出功率3500w的高功率连续型激光焊接机的在线监测系统为例。
50.激光焊接机的结构示意图如图2所示，其光学回路包括泵浦模块、合束器、光纤激光震荡腔，剥模器，激光传输光纤、激光焊接头；光纤激光震荡腔依次包括输入端高反光纤光栅、增益光纤、输出端低反光纤光栅；激光焊接头沿光路方向包括：激光入射接头71、准直镜组72、聚焦镜73。测试显示，光斑能量与泵浦功率的线性关系良好，如图3所示，然而在光谱分析中显示，随着输出功率的提升，斯托克斯光的光功率明显增加，受激拉曼散射效应明显，光束质量下降，如图4所示。
51.以最大输出功率连续运行测试显示，4小时后，出现横向模式不稳定的现象，如图5
所示。
52.本实施例提供的光纤激光焊接机在线监测系统，包括分光器、检测光路、光电探测器、以及温度探测仪；
53.针对本实施例所采用的高功率连续型激光焊接机，功率较高，采用全光纤结构的光纤分光器，可能会引入更高的损耗，因此选择在激光焊接头处增加分光镜作为分光器，如图6所示。激光入射后，经分光镜22将光功率分束，分别为工作光和检测光，工作光经准直镜组72和聚焦镜73照射在加工材料上，检测光经耦合透镜74进入检测光路。在输出功率较低的情况下，亦可采用光纤分光器21，与光纤激光器激光传输光纤6耦合，结构如图7所示。
54.检测光路，按照光传导方向，包括可变光衰减器31、光透过波段覆盖1130nm至1140nm的滤波器31，由于1180nm的激光器，斯托克斯光出现在1135nm，故以1135nm为中心波长定制滤波器，反斯托克斯光的光功率变化不如斯托克斯光波段灵敏(如图4所示)，本实施例优选斯托克斯光。
55.滤波器31的输出端耦合到光电探测器4。
56.激光焊接机工作时，激光传输光纤输出光经分光镜22，低功率的采样光进入检测光路3，经过检测光路3的可变光衰减器31衰减到滤波器32和光电探测器4的工作功率范围，滤波器32进行波长选择后，采样光中斯托克斯光部分的拉曼光谱被选择，进入光电探测器4，光电探测器4对拉曼光谱进行实时在线监测。
57.为了辅助判断，在光纤激光焊接机的光纤激光震荡腔输出端布设红外温度探测仪5，监测输出端光纤光栅的工作温度。
58.光纤激光器焊接机的输出光谱与输出功率相关，因此对于不同输出功率下，光纤激光器的拉曼光功率需要进行标定：测试正常工作状态下，调整可变衰减器，直至采样光中斯托克斯光光功率在光电探测器的工作范围，最好在光电探测器量程的1/3至2/3，以便方便的观察光功率的变化。
59.当光电探测器探测到的光功率出现偏移时，同时观察红外温度探测仪5监测的光纤激光震荡腔输出端光纤光栅的工作温度，如果偏高则加强散热控制工作温度，持续观察光电探测器探测到的光功率，如果出现周期性的反复变化，则考虑出现模式不稳定的问题，需要对激光传输光纤加强散热，降低热负载，或者降低输出功率，并在较低的输出功率下重新标定，调整可变衰减器。
60.不论红外温度探测仪5的输出读数如何，一旦出现光电探测器4探测到的光功率剧烈变化，例如超出光电探测器4量程时，则停机报警，检查焊接效果和焊接头，有必要的情况下对光纤激光焊接机的各个部件进行逐一排查故障。
61.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，并不用以限制本发明，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。