一种激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统，涉及精密加工质量检测方法技术领域，包括激光器、二向色镜、凸镜、位移平台、激光测振仪、第一光电探测器、信号处理系统、计算机，CCD相机，调整激光器设置，通过凸镜聚焦在待测试件表面，记录超声纵波在未焊接前上层板中的传播信号，记录超声纵波在焊接后待测试件中的传播信号。本发明专利技术检测效率高，检测结果精确可靠。

A laser ultrasonic testing method and system for laser precision spot welding quality

【技术实现步骤摘要】
一种激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统
本专利技术属于精密加工质量检测方法
，具体涉及一种激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统。
技术介绍
激光焊接技术是利用高能量的激光脉冲对材料微小区域进行加热，激光辐射的能量通过热传导向材料内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接目的。激光焊接技术在焊接过程中无需接触，避免了工具与器件表面接触而造成器件表面损伤，加工精度高，是一种新型的微电子封装与互连技术，适用于各种细微核心器件的生产与加工，在电子通信、交通、医疗、军事等领域应用广泛。电子元器件焊点数量巨大，焊斑尺寸较小(100-500μm)，在焊接过程中可能出现虚焊、漏焊、气孔等缺陷，将对整个焊接工件产生致命性的危害，同时每一个焊点的质量都要合格，才能保证其封装完成后的正常功能，因此急需一种快捷有效的无损检测方式对焊点质量进行在线检测，确保激光精密焊接质量。目前常规的检测手段有外观检测、拉力检测、金相检测、红外光谱监测和传统高频超声检测。外观检测仅对可以用显微镜观测到的外观缺陷，无法检测到焊接内部缺陷；拉力检测可以直观地判断焊接强度，金相检测可以准确地观察焊接内部熔池形貌，但是这两种方法都是破坏性的，只适用于失效分析，不适用于焊接质量检测。红外光谱监测采集焊接过程中产生的等离子体、反射光和温度信号，来共同预判焊接质量，该检测方式在大型构件的焊接过程中效果显著，但在焊点尺寸为100-500μm的焊接过程中误判率过高。传统的超声无损检测技术以压电换能器作为超声的激励和检测探头，但该检测技术存在以下问题：需要压电换能器与试样紧密接触，且需在二者之间涂抹适量的超声耦合剂，无法满足激光点焊的高速加工过程；压电换能器的尺寸较大，无法满足直径约0.5mm焊点的局部检测；压电换能器的带宽一般低于20MHz，纵向分辨率较低(-0.3mm)，无法满足总厚度约0.3-0.5mm金属薄板的焊点检测。激光超声检测利用激光激励和接收超声波，是一种远距离非接触式的无损检测技术，具有宽带宽(最高可达1GHz)、检测分辨率高(横向-0.1mm，纵向-0.05mm)、检测效率高等优势，可与激光焊接的光学系统实现整体集成，是实现激光精密点焊质量在线检测最具潜力的检测技术。目前，激光超声检测技术已实现金属、半导体、复合材料、陶瓷材料中缺陷、形貌和显微结构检测，特别是在高温、高压、强辐射以及强腐蚀性等恶劣环境中具有不可替代的作用，已广泛应用于航空航天飞行器检修、芯片质量检测、精密仪器检测、国防军事设施维护等众多领域。特别是在在线检测领域，该技术已经成功实现激光焊接过程的表面质量检测、钢管制造厚度检测，充分展现了其在非接触式快速检测方面的优势，但是针对激光精密点焊质量激光超声在线检测技术尚处于空白状态。因此急需提供一种检测效率高，检测结果精确可靠的激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统的不足，提供一种激光精密点焊质量激光超声检测方法和系统。本专利技术提供了如下的技术方案：一种激光精密点焊质量激光超声检测系统，包括激光器、二向色镜、凸镜、位移平台、激光测振仪、第一光电探测器、信号处理系统、计算机和CCD相机。优选的，所述激光测振仪包括探测激光器和第二光电探测器。优选的，待测试件放置所述位移平台的上表面。一种激光精密点焊质量激光超声检测方法，应用于激光精密点焊质量激光超声检测系统，包括以下检测步骤：S1：根据待测试件的厚度和材料，兼顾超声波的激发效率和对待测试件无损，选择激光器进行激光精密点焊质量检测，根据待测试件放置方式，确定单侧式和透射式的检测方式；S2：通过数据线将激光器、二向色镜、凸镜、位移平台、激光测振仪、第一光电探测器、信号处理系统、计算机和CCD相机进行连接；S3：利用CCD相机监测激光在待测试件表面的聚焦点位置调整光路，确保激发点和接收点在待测试件表面重合或者二者连线平行于待测试件厚度方向；S4：对于未熔合区域，上层板上表面所激发的超声波在其内部传播后，在上层板的底面出发生超声回波的反射，对于熔合区域，由于二者之间已经形成了机械结合，超声波可穿过融合区域进入到下层板，在下层板的底面处发生超声回波反射，超声回波返回到上层板上表面所需的时间存在显著的差异，可以通过测量超声回波在焊点处的传播时间来确定其是否熔合良好，从而筛选出虚焊、漏焊的试件；S5：调整激光器设置，发射波长为1064nm激光，单侧检测时利用二分色镜改变激光传播方向，通过凸镜聚焦在待测试件表面；S6：调整激光测振仪发射波长为532nm激光，聚焦在待测试件表面，记录超声波所引起待测试件表面振动位移，其中采用频率为1GHz，通过128次平均采集超声纵波信号，并输入信号处理系统；S7：记录超声纵波在未焊接前上层板中的传播信号，确定其传播时间t0；S8：记录超声纵波在焊接后待测试件中的传播信号，确定其传播待测试件t1，当焊接后超声纵波未传播至下层板，则存在虚焊、漏焊现象，信号处理系统给出报警指令；S9：当试样中两块板焊接在一起时，采用C扫描成像技术对焊接的三维轮廓进行检测；利用超声纵波在熔接区域与基板的界面处的回波信号，通过移动检测激光，根据超声回波的传播时间，检测界面与表面之间的距离，进而将整个熔池的三维轮廓描绘出来；S10：通过计算机设置位移平台的零点和扫描方式、步长和范围等参数，根据纵波回波时间tij和幅值Aij对扫描区域进行成像，并在计算机上显示焊接轮廓，从而综合评估激光精密点焊质量。本专利技术的有益效果是：1)采用非接触式的激发和接收超声波的方式，适用于激光精密点焊质量在线检测，检测效率高；2)高频宽带激光器的频率可达200MHz，激光测振仪的检测精度可达亚纳米级，因此成像分辨率可达纳米级，检测精度高；3)基于光折变晶体动态全息衍射光栅的双波混合技术，采用自适应外差干涉光学系统和改进的卡尔曼滤波器滤除强电磁干扰，可以滤除外界低频振动对干涉光路的影响，数据采集的可靠性高。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术的单侧式检测示意图；图2为本专利技术的透射式检测示意图；图3为本专利技术中虚焊及漏焊检测原理图；图4为本专利技术中整个熔池的C扫描成像检测原理图以及扫描路径；图5为检测处激光与式样作用原理(左)和检测式样电焊位置标记(右)；图6为在不同电焊位置检测到的波形。图中标记为：1、激光器；2、二向色镜；3、凸镜；4、激光测振仪；5、探测激光器；6、第二光电探测器；7、第一光电探测器；8、信号处理系统；9、待测试件；10、位移平台；11、CCD相机；12、计算机；13、试件上层板；14、试件下层板；15、未熔合区域；16、熔合区域；17、扫描路径。具体实施方式如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光精密点焊质量激光超声检测系统，其特征在于，包括激光器、二向色镜、凸镜、位移平台、激光测振仪、第一光电探测器、信号处理系统、计算机和CCD相机。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光精密点焊质量激光超声检测系统，其特征在于，包括激光器、二向色镜、凸镜、位移平台、激光测振仪、第一光电探测器、信号处理系统、计算机和CCD相机。


2.根据权利要求1所述的激光精密点焊质量激光超声检测系统，其特征在于，所述激光测振仪包括探测激光器和第二光电探测器。


3.根据权利要求2所述的激光精密点焊质量激光超声检测系统，其特征在于，待测试件放置所述位移平台的上表面。


4.一种激光精密点焊质量激光超声检测方法，应用于激光精密点焊质量激光超声检测系统，其特征在于，包括以下检测步骤：
S1：根据待测试件的厚度和材料，兼顾超声波的激发效率和对待测试件无损，选择激光器进行激光精密点焊质量检测，根据待测试件放置方式，确定单侧式和透射式的检测方式；
S2：通过数据线将激光器、二向色镜、凸镜、位移平台、激光测振仪、第一光电探测器、信号处理系统、计算机和CCD相机进行连接；
S3：利用CCD相机监测激光在待测试件表面的聚焦点位置调整光路，确保激发点和接收点在待测试件表面重合或者二者连线平行于待测试件厚度方向；
S4：对于未熔合区域，上层板上表面所激发的超声波在其内部传播后，在上层板的底面出发生超声回波的反射，对于熔合区域，由于二者之间已经形成了机械结合，超声波可穿过融...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜学俊，丁雷，卢明辉，鲁强兵，徐晓东，钱斯文，钱利强，
申请(专利权)人：南京光声超构材料研究院有限公司，南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32