一种水下激光焊接光纤检测装置及方法与流程

1.本发明涉及水下激光焊接技术领域，尤其是涉及一种水下激光焊接光纤检测装置及方法。


背景技术：

2.近年来，高功率激光器已广泛应用于焊接、切割或表面处理等加工行业领域。工业用ipg激光器的激光输出一般为4至6kw级，入射位置发生偏移或激光加工头的返回光直接返回光纤时，光纤可能会立即熔化并损坏。除此之外，由于水下焊接激光器与激光头距离较远，在距离激光器30m至50m的远程位置进行焊接并不罕见，由于激光器与激光头距离较远，激光头活动范围大，在诸如使用ipg激光器的切割或焊接的处理系统中，光纤在工作及运输搭建过程中很容易受到损伤。
3.本技术人发现现有技术至少存在以下技术问题：
4.现有的激光光纤检测装置通常针对传递信息的光纤进行检测处理，而在水下激光焊接中，光纤破坏或损伤却没有专业的检测设备。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种水下激光焊接光纤检测装置及方法，至少解决现有技术中存在的水下激光焊接中，光纤破损没有专业检测设备的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
7.需要说明的是，本发明中所述工作激光是指从激光器发出、进行激光焊接、切割的激光；检测激光是指用以根据其在光纤中的反射情况判断光纤故障的激光。
8.本发明提供的一种水下激光焊接光纤检测装置，包括:
9.外壳，所述外壳上设置有工作激光入射口、检测激光入射口和光纤接口；
10.光学组件，其设置于所述外壳内，用于反射、透射激光和/或聚焦激光；
11.检测组件，其设置于所述外壳内，能够接收经待检测光纤反射回到外壳内的检测激光。
12.可选地，所述光学组件包括设置于所述工作激光入射口与所述光纤接口之间的第一组反射透镜以及设置于所述检测激光入射口与所述光纤接口之间的第二组反射透镜。
13.可选地，所述第一组反射透镜由反射透镜a、反射透镜b和反射透镜c构成，所述反射透镜c用于透射工作激光；所述第二组反射透镜由反射透镜d和反射透镜c构成，所述反射透镜c用于反射检测激光。
14.可选地，所述反射透镜d与所述反射透镜c之间设置有聚焦透镜e；所述外壳内靠近所述光纤接口处还设置有聚焦透镜f，所述外壳内靠近所述检测组件的激光入射口处还设置有聚焦透镜g。
15.可选地，所述反射透镜c靠近所述反射透镜b的第一面涂覆有透射材料，所述反射
透镜c与其第一面相对的第二面涂覆有反射材料。
16.可选地，所述检测组件连接有数据处理装置，所述数据处理装置能够对光纤激光信号进行实时监测。
17.可选地，所述检测组件包括干涉滤波器和光电传感器，所述光电传感器与所述数据处理装置相连；所述干涉滤波器选择特定波长的光，再进入所述光电传感器被转换成电信号由所述数据处理装置采集和处理。
18.可选地，所述检测装置还包括ccd摄像机或ccd相机，所述ccd摄像机的镜头或所述ccd相机的镜头与所述光纤接口位于同一水平面。
19.可选地，所述光纤接口与所述外壳之间设置有固定法兰，所述固定法兰的中心设置有能够切断光路的光路快门。
20.本发明提供的一种水下激光焊接光纤检测方法，包括以上任一所述的水下激光焊接光纤检测装置，所述检测方法包括以下步骤：
21.s1、将待检测光纤连接至水下激光焊接光纤检测装置的光纤接口处；
22.s2、接通并使工作激光与检测激光分别由工作激光入射口和检测激光入射口进入水下激光焊接光纤检测装置，分别经光学组件后入射到待检测光纤；
23.s3、当光纤存在损坏时，激光反射光返回水下激光焊接光纤检测装置并经光学组件后被检测组件检测和反馈。
24.本发明提供的一种水下激光焊接光纤检测装置及方法，通过在装置外壳上设置工作激光入射口、检测激光入射口和光纤接口，工作激光和检测激光经由光学组件的一系列反射、透射和/或聚焦作用，能入射至光纤接口处连接的光纤内，在不影响激光焊接光纤正常工作的情况下，通过检测激光对光纤进行实时检测，当光纤存在破损时检测激光会被反射回水下激光焊接光纤检测装置内，并经光学组件引导后被检测组件接收和反馈，从而实现了水下激光焊接光纤的专业检测，及时有效地检测水下激光焊接光纤的故障破损，保证了水下激光焊接的可靠进行。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明具体实施方式提供的一种水下激光焊接光纤检测装置的立体结构示意图；
27.图2是本发明具体实施方式提供的一种水下激光焊接光纤检测装置的俯视结构示意图；
28.图3是图2中d-d的剖视结构示意图；
29.图4是本发明具体实施方式提供的一种水下激光焊接光纤检测装置中的光路示意图；
30.图5是工作激光的光路示意图；
31.图6是检测激光的光路示意图；
32.图7是反射镜座的立体结构示意图；
33.图8是光路快门的结构示意图。
34.图中1、外壳；2、检测激光接头；3、示波器连接插头；4、固定法兰；5、光纤接口；6、反射镜座；6-1、镜座壳；6-2、拆卸把手；6-3、反射透镜；7、工作激光接头；8、ccd接头法兰；9、ccd摄像机；10、干涉滤波器；11、光电传感器；12-1、伺服电机；12-2、连接臂；12-3、快门开关；12-4、光路挡板。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
36.本发明提供了一种水下激光焊接光纤检测装置，包括:
37.外壳1，外壳1上设置有工作激光入射口、检测激光入射口和光纤接口5；
38.光学组件，其设置于外壳1内，用于反射、透射激光和/或聚焦激光；
39.检测组件，其设置于外壳1内，能够接收经待检测光纤反射回到外壳1内的检测激光。
40.通过在装置外壳1上设置工作激光入射口、检测激光入射口和光纤接口5，工作激光和检测激光经由光学组件的一系列反射、透射和/或聚焦作用，能入射至光纤接口5处连接的光纤内，在不影响激光焊接光纤正常工作的情况下，通过检测激光对光纤进行实时检测，当光纤存在破损时检测激光会被反射回水下激光焊接光纤检测装置内，并经光学组件引导后被检测组件接收和反馈，从而实现了水下激光焊接光纤的专业检测，及时有效地检测水下激光焊接光纤的故障破损，保证了水下激光焊接的可靠进行。
41.作为可选地实施方式，光学组件包括设置于工作激光入射口与光纤接口5之间的第一组反射透镜以及设置于检测激光入射口与光纤接口5之间的第二组反射透镜。
42.通过两组反射透镜分别导向工作激光和检测激光的照射路径，使它们都能通畅地被引导进入光纤接口5处连接的激光焊接光纤中，为检测创造了良好的条件。
43.作为可选地实施方式，第一组反射透镜由反射透镜a、反射透镜b和反射透镜c构成，反射透镜c用于透射工作激光；第二组反射透镜由反射透镜d和反射透镜c构成，反射透镜c用于反射检测激光。反射透镜c位于工作激光和检测激光的相遇节点处，共用的反射透镜c在两组反射透镜中分别起到透射和反射两种作用。
44.作为可选地实施方式，反射透镜d与反射透镜c之间设置有聚焦透镜e；外壳1内靠近光纤接口5处还设置有聚焦透镜f，外壳1内靠近检测组件的激光入射口处还设置有聚焦透镜g。
45.由图5可见，工作激光器发射激光，进入工作激光入射口，通过反射透镜a和反射透镜b的两次反射，再通过反射透镜c透射，由聚焦透镜f进行聚光，进入光纤。参见图6，检测激光器发射的检测激光，进入检测激光入射口，通过反射透镜d反射进入聚焦透镜e进行聚光，然后再经过反射透镜c反射进入聚焦透镜f进行聚光，进入光纤。
46.从光纤的端面或内部反射的激光反射光经过聚焦透镜f进行聚光，通过反射透镜c
反射，进入聚焦透镜e进行聚光，再通过反射透镜d透射，由顶部聚焦透镜g聚光传递到干涉滤波器10。
47.作为可选地实施方式，反射透镜c靠近反射透镜b的第一面涂覆有透射材料，反射透镜c与其第一面相对的第二面涂覆有反射材料。同样，反射透镜d的两个相对面也分别涂覆有与激光器的激光波长相对应的涂层，使得仅特定波长的激光被透射和反射。
48.如图7所示，反射透镜6-3放置于镜座壳6-1上，镜座壳6-1通过拆卸把手6-2可拆卸式安装，可以更换不同种类的反射透镜6-3，适应不同激光器的激光波长。
49.作为可选地实施方式，检测组件连接有数据处理装置，数据处理装置能够对光纤激光信号进行实时监测。检测到的光信号，被数据处理装置记录处理后用于判断故障种类，进而可通过控制单元进行相应操作。
50.具体地，数据处理装置为示波器或光功率计。
51.作为可选地实施方式，检测组件包括干涉滤波器10和光电传感器11，光电传感器11与数据处理装置相连；干涉滤波器10选择特定波长的光，再进入光电传感器11被转换成电信号由数据处理装置采集和处理。
52.作为可选地实施方式，检测装置还包括ccd摄像机9或ccd相机，ccd摄像机9的镜头或ccd相机的镜头与光纤接口5位于同一水平面。ccd摄像机9通过ccd接头法兰8安装。通过ccd摄像机9或ccd相机采集光纤断面图像，辅助判断光纤损坏情况，提高检测精度。
53.作为可选地实施方式，光纤接口5与外壳1之间设置有固定法兰4，固定法兰4的中心设置有能够切断光路的光路快门。设置光路快门，在光纤损坏时能够及时切断激光传输，把对工件的影响和对光纤的损坏降至最低。
54.具体地，如图8所示，光路快门包括伺服电机12-1、连接臂12-2、快门开关12-3和光路挡板12-4，伺服电机12-1与连接臂12-2的第一端传动连接，连接臂12-2的第二端能够作用于快门开关12-3，使光路挡板12-4闭合而切断激光传输。
55.本发明还提供了一种水下激光焊接光纤检测方法，包括以上任一的水下激光焊接光纤检测装置，检测方法包括以下步骤：
56.s1、将待检测光纤连接至水下激光焊接光纤检测装置的光纤接口5处；
57.s2、接通并使工作激光与检测激光分别由工作激光入射口和检测激光入射口进入水下激光焊接光纤检测装置，分别经光学组件后入射到待检测光纤；
58.s3、当光纤存在损坏时，激光反射光返回水下激光焊接光纤检测装置并经光学组件后被检测组件检测和反馈。
59.图1-4图给出了本发明具体实施方式提供的一种水下激光焊接光纤检测装置的结构示意图，如图所示，水下激光焊接光纤检测装置包括外壳1，外壳1上设置有光纤接口5、工作激光入射口、检测激光入射口，外壳1内设置有光学组件(激光反射透镜、聚焦透镜)、干涉滤波器10和光电传感器11。检测激光入射口位于装置的上侧，可直接与检测激光器相连接，下侧为工作激光入射口，工作激光器和检测激光器发出的激光皆可通过外壳1内部反射透镜和聚焦透镜照射到连接至光纤接口5处的光纤中；装置中间部分左侧为ccd摄像机9，与光纤在同一水平面上，可对光纤进行监测。通过用ccd摄像机9(或ccd相机)拍摄光纤端面的图像，并用图像处理装置观察光纤端面的状态，可以识别光纤端面上的损坏位置，并检测光路传播，通过与检测装置的监测值相结合，可以掌握光纤的更精细的损坏状态。光纤接头左侧
为固定法兰4，中间设置有光路快门，当监测到光纤出现破损时伺服电机12-1通过连接臂12-2控制光路开关关闭，及时切断激光传输，可以将对工件的影响和对光纤的损坏程度降至最低，并且为下一步检测工作做准备。
60.需要说明的是，ccd摄像机9可替换为具有时间分辨率功能的ccd相机，则可以根据监控激光在光纤中传播的速度通过时间来确定光纤中的损坏位置。通过与光电检测器的监测值一起使用，能以更高的精度监测光纤。ccd与光纤在同一水平面，为了方便机器视觉系统对光纤连接点进行识别和定位，设置在光纤连接点附近标记特殊的图案或颜色，例如黑白相间的条纹、圆形等，将黑色和白色两种颜色交替排列成条纹状，可以有效地提高识别精度，在光纤连接点周围画一个圆形，在圆形内填上特殊的颜色或图案，可以方便机器视觉系统对连接点进行定位。将摄像头采集到的图像信息传输到图像处理系统中，通过图像处理算法和人工智能技术进行分析和识别，提取出目标图案或颜色标记的位置和特征，根据标记位置和特征，结合前期测试数据和经验，对光纤连接点的状态进行分类和判断，以确定是否存在异常情况。
61.工作激光入射口的工作激光接头7、检测激光入射口的检测激光接头2以及光纤接口5处的光纤接头均为可快速拆卸组件，具有便携性。
62.在工作激光入射口、检测激光入射口和固定法兰4之间设置有光学组件(反射透镜a、反射透镜b、反射透镜c、反射透镜d、聚焦透镜e、聚焦透镜f和聚焦透镜g)，激光反射透镜均呈45
°
放置。在靠近光纤接口5的反射透镜c上方装有检测组件(干涉滤波器10和光电传感器11，)，用于收集分析经过光纤原路返回的激光，对激光信号进行反馈。检测组件顶部开有连接孔，示波器连接插头3可通过连接线与示波器进行连接，可通过示波器对光纤激光信号进行实时监控，进而掌握光纤情况。在靠近ccd摄像机9附近的反射透镜b下方为工作激光连接接头。当示波器检测到异常信号时，光路开关关闭。
63.从激光器照射的激光束穿过反射透镜，被聚焦透镜聚光，并进入光纤。从光纤的端面或内部反射的激光反射光经过聚焦透镜，由反射透镜反射，由顶部聚焦镜聚光传递到干涉滤波器10，干涉滤波器10可以选择不同波长光，然后进入光电传感器11。只有待检测的波长可以被带入光电传感器11，能够提高检测性能。光电传感器11中激光功率计、压电元件等测量光量之后被转换成电信号，并且被带入数据处理设备(图中未示出)；当使用示波器来处理数据信号，在进行真正的状态检测之前，需要先测量反射光信号的初始强度，作为基准值；当使用光功率计等设备进行测量，如光纤连接不良或折断时，反射光信号的强度会减弱或消失，此时光接收器会感知到相应的变化并输出信号，对传感器输出的信号进行采集和处理，比较信号的幅值、频率、波形等特征，以判断光纤是否处于正常状态。例如，当光纤连接不良或者折断时，会产生高频的振动信号，而在正常情况下，光纤的振动信号则较小。
64.需要说明的是，通过观察示波器中波形变化，即可得出激光强度测量值和在光纤发射之后的反射光强度测量值之间的关系用于确定被处理部分是正常的还是异常的，操作方便简单。
65.反射透镜的表面涂覆有与激光器的激光波长相对应的涂层，使得仅特定波长能被透射和反射。入射到光纤上的激光大部分通过光纤传播以到达光纤的出射端。激光的一部分进入光纤内部，当存在损坏时，该光被损坏反射并成为激光反射光并返回到激光器侧。当光纤损伤增加时，反射激光的光纤端面表面积变小，因此激光反射光量减少。因此，可以通
过测量激光反射光的光量来掌握光纤端面的损坏状态。根据前期测试数据和经验，设置相应的阈值和规则，对信号进行分类和判断，进一步确认光纤状态异常的类型和程度。
66.当光纤内部存在破损时，或者使用连接器连接光纤的系统的情况下，入射到光纤上的激光从三个点反射：光纤入射端面、破损点或者连接器内部的端面和出射端面。光被引入光电检测器。由于激光反射光从光纤的入射端面、破损面或者连接器和出射端面，在监测值曲线中会出现三个峰值。当在光纤的端面上发生损坏时，可以通过减少这些峰值来进行区分。
67.需要说明的是，本发明水下激光焊接光纤检测装置可能接触到水的部件均采用防水性良好的设备。
68.在发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，
″
多个
″
的含义是两个或两个以上；术语
″
上
″
、
″
下
″
、
″
左
″
、
″
右
″
、
″
内
″
、
″
外
″
、
″
前端
″
、
″
后端
″
、
″
头部
″
、
″
尾部
″
等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语
″
第一
″
、
″
第二
″
、
″
第三
″
等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
69.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语
″
安装
″
、
″
相连
″
、
″
连接
″
应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
70.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，包括:外壳，所述外壳上设置有工作激光入射口、检测激光入射口和光纤接口；光学组件，其设置于所述外壳内，用于反射、透射激光和/或聚焦激光；检测组件，其设置于所述外壳内，能够接收经待检测光纤反射回到外壳内的检测激光。2.根据权利要求1所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述光学组件包括设置于所述工作激光入射口与所述光纤接口之间的第一组反射透镜以及设置于所述检测激光入射口与所述光纤接口之间的第二组反射透镜。3.根据权利要求2所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述第一组反射透镜由反射透镜a、反射透镜b和反射透镜c构成，所述反射透镜c用于透射工作激光；所述第二组反射透镜由反射透镜d和反射透镜c构成，所述反射透镜c用于反射检测激光。4.根据权利要求3所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述反射透镜d与所述反射透镜c之间设置有聚焦透镜e；所述外壳内靠近所述光纤接口处还设置有聚焦透镜f，所述外壳内靠近所述检测组件的激光入射口处还设置有聚焦透镜g。5.根据权利要求4所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述反射透镜c靠近所述反射透镜b的第一面涂覆有透射材料，所述反射透镜c与其第一面相对的第二面涂覆有反射材料。6.根据权利要求1所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述检测组件连接有数据处理装置，所述数据处理装置能够对光纤激光信号进行实时监测。7.根据权利要求6所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述检测组件包括干涉滤波器和光电传感器，所述光电传感器与所述数据处理装置相连；所述干涉滤波器选择特定波长的光，再进入所述光电传感器被转换成电信号由所述数据处理装置采集和处理。8.根据权利要求1所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括ccd摄像机或ccd相机，所述ccd摄像机的镜头或所述ccd相机的镜头与所述光纤接口位于同一水平面。9.根据权利要求1所述的水下激光焊接光纤检测装置，其特征在于，所述光纤接口与所述外壳之间设置有固定法兰，所述固定法兰的中心设置有能够切断光路的光路快门。10.一种水下激光焊接光纤检测方法，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的水下激光焊接光纤检测装置，所述检测方法包括以下步骤：s1、将待检测光纤连接至水下激光焊接光纤检测装置的光纤接口处；s2、接通并使工作激光与检测激光分别由工作激光入射口和检测激光入射口进入水下激光焊接光纤检测装置，分别经光学组件后入射到待检测光纤；s3、当光纤存在损坏时，激光反射光返回水下激光焊接光纤检测装置并经光学组件后被检测组件检测和反馈。

技术总结
本发明提供了一种水下激光焊接光纤检测装置及方法，涉及水下激光焊接技术领域，解决了水下激光焊接中，光纤破损没有专业检测设备的技术问题。该装置包括外壳及设置其内的光学组件和检测组件。外壳上设置工作激光入射口、检测激光入射口和光纤接口，工作激光和检测激光经由光学组件的一系列反射、透射和/或聚焦作用，入射至光纤接口处的光纤内，在不影响激光焊接光纤正常工作的情况下，通过检测激光对光纤进行实时检测，当光纤存在破损时检测激光会被反射回水下激光焊接光纤检测装置内，经光学组件引导后被检测组件接收和反馈，实现了水下激光焊接光纤的专业检测，及时有效地检测水下激光焊接光纤的故障破损，保证了水下激光焊接的可靠进行。接的可靠进行。接的可靠进行。


技术研发人员：朱加雷 李桂新 张晓春 梅乐 黄然 张俊宝 黄祥明 郭方涛 黄国军 翁志敏 申思行 陈祖盼 卞向南 丛大志
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/23