基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法及其装置与流程

本发明涉及激光焊接
技术领域：
，尤其涉及一种基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法及其装置。
背景技术：
：随着现代工业的快速发展，激光焊接已成为快速、高质量的关键连接技术。激光焊接具有变形和残余应力小，抗拉轻度高，加工柔性大等特点。然而激光焊接工艺参数的选取受多种因素干扰，激光焊接过程中工件容易遇到未熔透、咬边、塌陷、气孔、夹渣等问题，选择能满足加工要求的焊接工艺参数是激光焊接的关键技术且亟待解决的问题。通过对激光焊接过程中产生的光致等离子体的深入研究，发现等离子的状态与焊接状态、焊接效率和焊接质量具有相关性。因此，通过探测等离子光谱信号来实时分析焊接过程和控制焊接质量具有极为重要的意义。激光焊接过程中产生的等离子体呈梯度分布，横向或纵向的光谱强度差异较大。4千瓦光纤焊接时等离子体高度仅有5mm，在实际生产中现有的光谱采集设备难以确保每次采集的等离子体位置都相对一致，难以将采用不同工艺参数产生的光谱数据进行对比分析。同时，目前大多光谱数据处理办法脱离了激光作用物质产生等离子体的基本物理规律，偏重于算法处理而无法与激光加工的物理现象结合，无法解释等离子体分析方案的原理和可行性，对不同的激光焊接工况条件不具有通用性和指导性，难以在实际的加工制造中得到应用和推广。因此，与激光焊接物理现象相结合的等离子体光谱数据的处理方法对采用离子体光谱监控焊接状态具有十分重要的意义。目前，该领域的主要研究集中在实时探测光致激光诱导等离子体光谱分析焊接熔深性问题，如探测光致等离子体监控不同厚度板材的焊接过程、控制不同种类辅助气体并探测光致等离子体以监控焊接过程熔透过程、采用不同吹气方式控制光致等离子体以控制焊接熔深、探测光致等离子体电信号闭环控制焊接熔透性、采集光致等离子体图像分析后控制焊接熔透性等。但上述研究仅将激光诱导等离子体光谱信号用于焊接熔透性分析，并没有将等离子体光谱信号和整个焊接过程关联起来，无法通过等离子体信号得到除了熔透性外更好的焊接状态和工艺参数。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简便、可快速确定优化的激光焊接参数并提高激光焊接质量的基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法及其 装置。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接参数的优化方法，包括以下步骤：S1、初步设定N个焊接参数，任选其中一个焊接参数作为变量焊接参数，另外N-1个焊接参数设置为定量焊接参数，N为2以上的自然数；S2、开始对焊接工件进行激光焊接，在激光焊接过程中，调节步骤S1中变量焊接参数的值；采集每个变量焊接参数下，激光焊接过程中焊接工件的等离子体光谱信号，并根据等离子体光谱信号计算等离子体相对激发温度；最终得到不同变量焊接参数所对应的等离子体相对激发温度；S3、根据等离子体相对激发温度与焊接质量之间的关联特性选择最佳焊接质量所对应的变量焊接参数，得到变量焊接参数的优化结果。作为上述技术方案的进一步改进：在步骤S2中，对采集的等离子体光谱信号进行去除非等离子体辐射的干扰。在步骤S2中，等离子体相对激发温度的计算过程包括以下步骤：S2.1、利用包络线法去除等离子体光谱信号下方的连续光谱仅留下特征光谱；S2.2、将特征光谱进行求平均值处理，并将处理后的特征光谱进行归一化；S2.3、选取焊接工件主要成分元素至少5个A级准确度相对强度超过106的激发状态波长，确认选取波长位置处光谱信号的相对强度IR；S2.4、根据下式计算等离子体相对激发温度TR，lgIRλgmAmn=-5040EmTR+C]]>其中，Em为谱线的上能级激发电位，单位是cm-1；λ为谱线的波长，单位是nm，IR为光谱信号的相对强度；Amn为跃迁几率；gm为谱线的上能级统计权重，C为常数；gm、Amn、IR、Em的数值根据选取的波长通过原子跃迁数据查询所得。步骤S2.2中，求平均值处理的步骤包括：对采集单位时间内采集到的光谱信号求平均值，得到该时间段各波长光谱信号的平均值；数据归一化处理的步骤包括：根据平均值最大对应的波长和平均值最小对应的波长选取 光谱信号强度的最大值和最小值，进行归一化处理得到光谱相对强度IR，光谱相对强度IR计算公式如下：IR=Ii-IminImax-Imin]]>其中，Ii为原始记录光谱信号的强度，Imin为光谱强度最小值，Imax为光谱强度最大值。在步骤3中，根据等离子体激发温度与焊接质量的关系，绘制等离子体相对激发温度随所述变量焊接参数变化的趋势图，选取趋势图中波谷处对应的变量焊接参数为该变量焊接参数的优化值。在步骤S2中，所述变量焊接参数由小至大或由大到小逐步调节。所述焊接参数包括焊接功率、焊接速度和离焦量。还包括步骤S4：对步骤S3中优化后所述变量焊接参数进行循环优化，步骤为：S4.1、以步骤S3中优化后的变量焊接参数为定量，以未优化的定量焊接参数中的任一个参数为新的变量焊接参数；S4.2、执行步骤S2和S3，得到优化后的新的变量焊接参数。一种激光焊接装置，包括工作台、激光器、聚焦探头、光谱仪以及信号处理器，所述工作台用于放置焊接工件，所述聚焦探头用于聚焦和采集激光焊接过程中焊接工件的等离子体光谱信号，所述光谱仪用于计算等离子体光谱信号的光谱强度，所述信号处理器用于对等离子体光谱信号进行预处理并根据光谱信号得到等离子体相对激发温度。所述激光器和聚焦探头均设于所述焊接工件的上方，且所述聚焦探头可与激光器同步移动。与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明的基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法，首先，提出了通过采用激光诱导等离子体光谱数据计算相对激发温度的方法，用于分析等离子体整体的相对激发状态。该处理方法避免了光谱探测过程中，因为探测角度、探测高度以及激光焊接过程中等离子体周期性变化的影响而无法对比不同探测条件和工艺参数下光谱数据的问题；其次，当操作员初步确定焊接条件时，通过该方法可以对比分析焊接过程中不同工艺参数下等离子的相对激发状态，并可根据该方法快速获得等离子激发度相对最低度的焊接平衡状态，可以根据该方法快速准确的选定推荐的焊接功率、焊接速度和焊接离焦量等激光焊接参数，为优化激光焊 接工艺参数，提高激光焊接质量奠定了基础。2、本发明的激光焊接装置，可灵活调节，可获得信号质量好的激光诱导等离子体光谱信号。附图说明图1是本发明激光焊接优化方法的流程图。图2是本发明激光焊接优化方法中等离子体相对激发温度的计算过程的流程图。图3是本发明激光焊接优化方法中激光焊接功率为1900w时的光谱仪采集到的原始等离子体光谱图。图4是本发明激光焊接优化方法中激光焊接功率为1900w时归一化后的等离子体光谱图。图5是本发明激光焊接优化方法中激光焊接功率为1500-2100w时的等离子体相对激发温度的趋势图。图6是本发明激光焊接优化方法中激光焊接功率为1500-2100w时焊接工件焊后的拉伸性能和抗冲击性能的趋势图。图7是本发明激光焊接优化方法中激光焊接离焦量为-9-9mm时的等离子体相对激发温度的趋势图。图8是本发明激光焊接优化方法中激光焊接离焦量为-9-9mm时焊接工件焊后的拉伸性能和抗冲击性能的趋势图。图9是本发明激光焊接优化方法中激光焊接速度为16-24mm时的等离子体相对激发温度的趋势图。图10是本发明激光焊接优化方法中激光焊接离焦量为16-24mm时焊接工件焊后的拉伸性能和抗冲击性能的趋势图。图11是本发明激光焊接优化方法中激光焊接功率为1800-1900w时的等离子体相对激发温度的趋势图。图12是本发明激光焊接优化方法中激光焊接功率为1800-1900w时焊后焊接工件的拉伸性能和抗冲击性能的趋势图。图13是本发明激光焊接装置的结构示意图。图中各标号表示：1、焊接工件；2、激光器；3、聚焦探头；4、光谱仪；5、信号处理器；6、光纤。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本实施例基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法包括如下步骤：S1、初步设定N个焊接参数，任选其中一个焊接参数作为变量焊接参数，另外N-1个焊接参数设置为定量焊接参数，N为2以上的自然数；S2、开始对焊接工件1进行激光焊接，在激光焊接过程中，调节步骤S1中变量焊接参数的值；采集每个变量焊接参数下，激光焊接过程中焊接工件1的等离子体光谱信号，并根据等离子体光谱信号计算等离子体相对激发温度；最终得到不同变量焊接参数所对应的等离子体相对激发温度；S3、根据等离子体相对激发温度与焊接质量之间的关联特性选择最佳焊接质量所对应的变量焊接参数，得到变量焊接参数的优化结果。焊接工件1焊接过程中，当单位时间内的辐照密度过高时，相对等离子体温度较高，焊接的热输入量较大，焊接过程中金属蒸气和飞溅现象严重，焊缝处主要缺陷表现为凹坑或者缩颈。焊后的热影响区较大时，焊后工件塑性和韧性严重下降；当单位时间内的辐照密度过低时，相对等离子体温度也会相对较高，焊接的热输入量主要集中在待焊工件表面，焊接过程中金属蒸气现象严重，焊缝处主要缺陷表现为未熔透、或上部熔化焊而下部热传导焊。焊后的热影响区较小时，焊后工件强度和韧性达不到焊接要求。在上述两种相对等离子体温度过高的状态中间，会出现波谷现象，当单位时间内的辐照密度合适时，焊接的热输入量正好可以熔透待焊工件，焊接过程中金属蒸气和飞溅最少，焊缝无明显缺陷，焊后的热影响区较小，焊后工件的强度、塑性和韧性最好。因此，本发明通过建立焊接质量、等离子体相对温度、焊接参数之间的关联，通过等离子体相对温度的变化趋势，选取最佳焊接质量对应的焊接参数，从而得到优化后的焊接参数。本实施例的焊接参数包括焊接功率、焊接速度和离焦量，通过上述优化方法对焊接功率、焊接速度和离焦量逐次进行优化，从而得到优化后的焊接功率、焊接速度和离焦量，步骤S2中，变量焊接参数由小至大或由大到小逐步调节，计算等离子体相对激发温度之前，需要对采集的等离子体光谱信号进行去除非等离子体辐射的干扰。采用本实施例的激光焊接优化方法，当操作员初试焊接条件时，可以根据该方法快速准 确的选定合适的焊接功率、焊接速度和焊接离焦量等激光焊接参数，通过分析激光焊接等离子体状态参数确定焊接平衡状态，可在实际激光焊接过程中确定优化工艺参数，提高激光焊接质量并为在线质量控制奠定基础。图2所示，本实施例中，在步骤S2中，等离子体相对激发温度的计算过程包括以下步骤：S2.1、利用包络线法去除等离子体光谱信号下方的连续光谱仅留下特征光谱；S2.2、将特征光谱进行求平均值处理，并将处理后的特征光谱进行归一化；S2.3、选取焊接工件1主要成分元素至少5个A级准确度相对强度超过106的激发状态波长，确认选取波长位置处光谱信号的相对强度IR；S2.4、根据下式计算等离子体相对激发温度TR，lgIRλgmAmn=-5040EmTR+C]]>其中，Em为谱线的上能级激发电位，单位是cm-1；λ为谱线的波长，单位是nm，IR为光谱信号的相对强度；Amn为跃迁几率；gm为谱线的上能级统计权重，C为常数；gm、Amn、IR、Em的数值根据选取的波长通过原子跃迁数据查询所得。步骤S2.1中，首先，求出谱线上方的极小值点，再利用曲线进行拟合，然后用原始光谱数据减去拟合曲线数据就得到了去除连续光谱的特征光谱。步骤S2.2中，求平均值处理：将单位时间内采集到的光谱数据对应各波长强度计算平均值，得到该时间段内各波长光谱数据的平均值，记录n时间内光谱数据，把n时间内光谱数据的每个波长的光谱强度求平均值，得到n时间内该波长的平均值，然后计算n时间内平均值最大对应的波长和平均值最小对应的波长。数据归一化处理：根据平均值最大对应的波长和平均值最小对应的波长选取光谱信号强度的最大值和最小值，进行归一化处理得到光谱相对强度IR，光谱相对强度IR计算公式如下：IR=Ii-IminImax-Imin]]>其中，Ii为原始光谱信号的强度，Imin为光谱强度最小值，Imax为光谱强度最大值。依据上述公式将数据归一化。多组数据进行对比分析时，归一化选取的最大值应为同一波长所对应的值。步骤S2.3中，选取的5个A级准确度相对强度超过106的激发状态波长，查询计算后的 选取的各波长位置处光谱信号的光谱相对强度IR。步骤S2.4中，将选出数据导入相对激发温度计算公式，至少完成5组计算结果后，以为y轴，Em为x轴，绘制散点图再绘制直线图，其斜率为-5040/TR，由斜率计算出等离子体相对激发温度TR。等离子体相对激发温度的计算的原理如下：(1)在激光焊接过程中，由于激光焊接过程中功率参数变化幅度相对较小，激发能级的统计权重一般不会发生变化。布局数受统计权重变化的影响较小，而受绝对温度变化的影响较大，也就说明温度升高电子的布局数会发生变化，相对跃迁几率发生变化；部分高能级的布局数增大，跃迁几率增加，也就造成谱线的相对强度发生变化。本发明因此设计了根据谱线相对强度计算相对激发温度的方法。比较同一元素的不同谱线强度时，将最强谱线强度，即布局数密度大、跃迁几率最高的跃迁能级作为基准，对比其他谱线，即其他能级的布局数密度、跃迁几率的相对变化，就可以对比等离子体的相对激发状态。(2)在激光焊接实际加工中，等离子体周期的呈现从生长到消亡的过程，等离子体变化幅度很大，探测到的其光谱强度也就变化较大。同时，探头的聚焦范围对收集的等离子体光谱的强度影响很大，难以采集到稳定且质量高的等离子体光谱信号。因此，不加处理的直接对比光谱强度得不到焊接过程等离子体的整体状态。本发明设计了去除连续光谱——求平均值——归一化处理三个依次进行的光谱处理步骤。激光焊接过程中形成的光谱除了特征光谱外还会形成连续光谱，而连续光谱多是由于热辐射和轫致辐射而产生的，与布局数和跃迁几率关系不大，因此需要去除。为了得到光谱周期性的整体状态，平均处理光谱数据是较为合理的方式。将整段时间内的最强值和最弱值都进行统计，可以特征性的表现等离子体整体状态。光谱数据一般是通过光栅分光照射到CCD(CCD指电荷耦合元件)上进行数据记录的，记录的数据就是光谱的相对强度；但不同的CCD响应基准不同，会整体增加记录的光谱数据强度。因此，再次归一化可以减弱因CCD响应基准不同而造成的光谱强度差异。(3)相对激发温度的计算波长需要选择特征性强的谱线进行比较，主要选取谱线精确度为A级以上，相对强度高于106且无自吸收的波长进行计算。相同能量的粒子在不同的量子末态跃迁会发射非常接近的精细谱线，即每一个能级上可能有若干个不同的量子状态存在。 因此，需要选择精确度高、相对强度高、无自吸收现象的具有代表性的谱线进行计算。选择的谱线与整体的激发状态正相关性越大，越可以反映等离子体的整体激发状态。(4)由光谱强度计算相对激发温度需要考虑选定谱线的波长、跃迁几率、统计权重、激发能量等参数对计算结果的影响。本发明采用将相对光谱强度导入等离子体激发温度的计算公式中进行计算等离子体相对激发温度。等离子体激发温度是表征等离子体光源所能激发的原子外层电子在各能级分布状态的参数，是代表光源激发能力的主要参数之一，通常用来计算某一点的离子激发温度，通过直接测定的绝对光谱强度计算绝对等离子体激发温度。本发明根据等离子体激发温度Tg计算公式，进行等离子体相对激发温度TR的计算。等离子体激发温度Tg的计算公式如下，lgIgλgmAmn=-5040EmTg+C]]>其中，Em为谱线的上能级激发电位，单位是cm-1；λ为谱线的波长，单位是nm，Ig为光谱强度的绝对强度系数；Amn为跃迁几率；gm为谱线的上能级统计权重，C为常数；将光谱强度的相对强度IR替换等离子体激发温度公式中的光谱强度的绝对强度Ig，即可得到等离子体相对激发温度TR。本发明提出了通过采用归一法处理激光诱导等离子体光谱数据后计算相对等离子体温度的方法，该数据处理方法避免了光谱探测过程中，因为探测角度和探测高度的影响，而无法对比不同探测条件下光谱数据的问题。本实施例中，在步骤S3中，根据等离子体激发温度与焊接质量的关系，绘制等离子体相对激发温度随所述变量焊接参数变化的趋势图，选取趋势图中波谷处对应的变量焊接参数为该变量焊接参数的优化值。本发明基于下述原理：(1)由于采用等离子体相对激发温度的计算程序，可以将不同工艺参数的在单位时间内收集的等离子体光谱用统一的标准进行分析对比。同时，等离子体相对激发温度也可以表现每一组谱线所对应的等离子体的整体激发状态和特征。因此，绘制的等离子体相对激发温度随参数变化的趋势图可以反映激发等离子体随参数变化的趋势。(2)激光深熔焊是通过连续激光作用工件缝隙形成连接，其主要能量转化方式是通过小 孔效应。当激光功率足够高时，激光辐照的材料表面会产生金属蒸气，金属蒸气被激光再次激发形成等离子体，这两种能量形态都具有极快的扩散速度，会对下方的熔池产生冲击作用，使熔池产生较深的孔洞，加快了熔池中金属液体的流动速度，将热量传递到焊缝的底部和侧部，使孔洞周围的金属熔化。小孔随着激光束移动，将焊接工件1的空隙用孔壁周围的熔融金属填充并随之冷却，形成焊缝组织。在焊接过程中，激光、熔池、金属蒸气、等离子体和焊缝处于相互作用和影响的状态。(3)激光焊接过程中产生的金属蒸气和等离子体不是持续性的，而是呈一定周期波动的。这是因为激光激发出金属蒸气，金属蒸气在激光和熔池之间阻挡了激光继续作用基材，会吸收大量的能量形成等离子体，这就是激光加工中的屏蔽现象。当下方的熔池温度降低没有持续的金属蒸气喷出屏蔽激光时，等离子体就会快速消散，然后激光再继续作用于熔池形成金属蒸气形成周期性。(4)当焊接过程中输入能量过大时，激光蒸发了大量的金属蒸气，形成较强的等离子体，会在熔池上方产生垂直于熔池的冲击力，熔池会大幅的不稳定波动，主要造成金属液体喷出熔池，产生飞溅、塌陷、缩颈等问题，焊接质量严重下降；当焊接过程中输入能量过小时，激光作用物质产生的金属蒸气反冲作用力较小，垂直于熔池的冲击力小，熔深不足，形成未达标的未熔透焊缝。同时，大量的金属蒸气在熔池上方吸收激光能量使激光发生散射，输入的能量会使熔池变宽，焊缝的热影响区变宽。(5)相比于等离子体的扩散速度，金属蒸气的扩散速度较慢，对熔池流动速度贡献较小。理想的焊接形态是激光作用物质产生的金属蒸气完全转化为等离子体，加速垂直于熔池表面液体的流动速度，尽量避免热量向两边扩散，减小焊接的热影响区。(6)绘制的相对激发温度变化趋势图中，等离子体相对激发温度相对最小的拐点处等离子体激发状态最好，相对最小的拐点处指的是：采用的等离子体相对激发温度是出现波谷处的相对较低，即随着焊接功率增大，先升高再降低，再继续升高的过程；不是功率密度和热输入量不足时，等离子体相对激发温度的绝对最低。激光的能量既没有过大，造成金属液体喷出熔池，也没有能量过小，造成过多的金属蒸气散射激光增大熔池表面积。研究发现，该种状态下激光、熔池、金属蒸气、等离子体和焊缝达到动态平衡。金属蒸气绝大部分转化的等离子体集中在小孔上方，反冲力搅动熔池将热量带到焊缝底部使工件完全焊透。由于输入能量大部分转化为熔池的热量和流动动量，金属蒸发量和等离子体激发量为相对最小值。整个焊接过程金属蒸气的蒸发量和熔池的飞溅量都是相对最小的，焊缝完全焊透，对侧向的热影响区也相对最小，焊接后的拉伸性能和冲击性能都相对最好。本实施例中，优化的焊接参数主要为焊接功率、焊接速度和焊接离焦量；根据上述方法，初选焊接参数为：焊接速度20mm/s，离焦量为0mm，焊接功率为变量，本实施例变量焊接参数由小至大逐步调节；保护气体为氮气，流量为20L/min。图3为基于上述初定参数，激光焊接功率为1900w时，激光焊接过程的激光诱导等离子体光谱强度，从图3中可以看出激光诱导等离子体光谱信号强度随着波长变化出现不同的强度分布，图3中光谱下方的背景光强度较高(即图3中光谱曲线与横坐标之间的空白处较大)。图4为图3中原始光谱信号数据去除连续光谱后，再进行归一化处理后的光谱图。图4中403.42nm处的光谱强度最强，将该处强度作为归一化处理的标准。图4中圆点标注的是选取的A级准确度，相对强度超过106的FeI谱线，选定的值用来计算等离子体相对激发温度。通过查询对应的FeI线的相关数据列表如下：表1波长为340-430nm区间A级准确度及相对强度超过106的FeI谱线波长nm跃迁几率Amn高能级能量Em统计权重gm相对强度IR准确度363.14635.17E+0735257.324091150000A370.55663.21E+0627394.691071290000A372.25634.91E+0627559.583051290000A374.55611.15E+0727394.691072510000A385.63714.64E+0626339.696051100000A389.97072.58E+0626339.696051070000A392.29121.08E+0625899.989091000000A404.58128.62E+0736686.176091000000A图5选取1500w、1600w、1700w、1800w、1900w、2000w和2100w的焊接功率进行焊接并采集光谱信号数据，根据表1中各波长所对应的相对强度和各选取参数，分别计算不同焊接功率下的等离子体相对激发温度。如图示5所示，采用波长的相对强度计算等离子体相对激发温度的数据出现了明显的波谷现象。此处需要说明的是通过等离子体相对激发温度确定合适焊接条件时，采用的等离子体相对激发温度是出现波谷处的相对较低，即随着焊接功率增大，先升高再降低，再继续升高的过程；不是功率密度和热输入量不足时，等离子体相对激发温度的绝对较低。因此，选取波谷处1800w和1900w为焊接功率的优化值。焊接工件1在激光焊接过程中，当单位时间内的辐照密度合适时，相对等离子体温度会出现波谷现象，焊接的热输入量正好可以熔透待焊工件，焊接过程中金属蒸气和飞溅最少，焊缝无明显缺陷，焊后的热影响区较小。因此，1800w和1900w为波谷处对应的焊接功率为该激光焊接条件下的激光焊接过程中的最优值。而当单位时间内的辐照密度过高时，相对等 离子体温度相对较高，焊接的热输入量较大，焊接过程中金属蒸气和飞溅现象严重，焊缝处主要缺陷表现为凹坑或者缩颈；或者当单位时间内的辐照密度过低时，相对等离子体温度也会相对较高，焊接的热输入量主要集中在待焊工件表面，焊接过程中金属蒸气现象严重，焊缝处主要缺陷表现为未熔透、或上部熔化焊而下部热传导焊。图6反应了采用不同焊接功率参数得到的焊接工件1进行拉伸性能测试和冲击性能测试，测试结果表明波谷处参数(功率为1800w和1900w时)所对应的拉伸性能和抗冲击性能相对最佳，1800w的抗冲击强度最高，说明抗冲击性能的变化趋势与焊接过程中热输入量直接相关。功率过高时，焊后的热影响区较大，焊后工件塑性和韧性严重下降；功率过低时，焊接的热作用过小，焊缝融化不完全，工件强度和韧性达不到要求。因此，可以判定该材料(焊接工件1)在焊接速度为20mm/s，离焦量为0mm时，最佳的激光功率参数处于1800-1900w之间。焊接功率、焊接速度和离焦量三者参数选择可以根据焊接设备、焊接材料以及实际工况有选择的进行优化，优化顺序不分先后。本实施例中，步骤S3之后，还包括步骤S4：对步骤S3中优化后所述变量焊接参数进行循环优化，步骤为：S4.1、以步骤S3中优化后的变量焊接参数为定量，以未优化的定量焊接参数中的任一个参数为新的变量焊接参数；S4.2、执行步骤S2和S3，得到优化后的新的变量焊接参数。由上述优化的焊接功率1900w为定量，焊接速度为20mm/s为定量，以此优化焊接离焦量；从负离焦量状态到正离焦量逐渐增加离焦量，对焊接工件1进行激光焊接，离焦量参数选取-9，-7，-5，-3，-1，0，+1，+3，+5，+7，+9(mm)，绘制等离子体相对激发温度与离焦量的变化趋势图，多个波谷时，选择等离子体相对激发温度相对较低的离焦量的值为推荐值。图7为等离子体相对激发温度随离焦量变化的趋势图，图7中有多个波谷，但离焦量为-3mm时等离子体相对激发温度相对较低，离焦量推荐参数为-3mm。图8为不同离焦量下焊接工件1的拉伸强度和冲击强度，离焦量为-3mm处所对应的强度最高，与该离焦量的推荐值一致。本实施例中，由上述优化的焊接功率1900w为定量焊接参数，初选离焦量0mm为定量，以此优化焊接速度；从小到大逐渐提高焊接速度，对焊接工件1进行激光焊接，焊接速度参数为16，18，20，22，24(mm/s)，图9为等离子体相对激发温度随焊接速度变化的趋势图， 确定波谷处焊接速度18(mm/s)为推荐值。图10为不同焊接速度下焊接工件1的拉伸强度和冲击强度，18mm/s处所对应的强度最高，与焊接速度的推荐值一致。需要指出的是等离子体相对最低温度下强度较高，而绝对最低时焊缝并未完全焊透强度较低。同时，可根据循环优化进一步优化，得到最合适三个焊接参数。由上述优化结果得到，焊接速度为优化后的18mm/s为定量焊接参数，离焦量为优化后的-3mm为定量焊接参数，以此优化焊接功率为变量焊接参数；设定功率区间为1800-1900w，对焊接工件1进行激光焊接，功率参数选取1800，1830，1850，1870，1900(w)，绘制出如图11所示的相对激发温度与功率的变化趋势图，确定等离子体相对激发温度趋势图中波谷处的焊接功率参数为优化后的推荐值。图12为循环优化下焊接工件1的拉伸强度和冲击强度，焊接功率为1870w处所对应的强度最高，与该焊接功率的推荐值一致。由此得知，采用循环优化的方法可进一步提高焊接质量。图13示出了本发明激光焊接装置的一种实施例，该激光焊接装置包括工作台(图中未示出)、激光器2、聚焦探头3、光谱仪4以及信号处理器5，工作台用于放置焊接工件1，聚焦探头3用于聚焦和采集激光焊接过程中焊接工件1的等离子体光谱信号，光谱仪4用于计算等离子体光谱信号光谱强度，信号处理器5用于对等离子体光谱信号进行预处理并根据光谱信号得到等离子体相对激发温度。激光器2和聚焦探头3均设于焊接工件1的上方，且聚焦探头3可与激光器2同步移动，聚焦探头3将采集到的光谱信号通过光纤6传送到光谱仪4，光谱仪4根据该光谱信号的计算光谱强度，并将计算结果输送给信号处理器5中，信号处理器5接收到该数据后进行处理和分析，最后计算输出等离子体相对激发温度。本实施例的激光焊接装置，可灵活调节，可获得信号质量好的激光诱导等离子体光谱信号。本实施例中，激光器2固定在机器人上与焊接工件1之间发生相对移动，针对中锰钢材料特性在300-800nm区间内选取波长接收范围为340-430nm的光谱仪4，光谱仪4设定积分时间为20ms，保证光谱仪4计算的光谱强度比较稳定。本实施例中，激光器2设于焊接工件1焊接部位的正上方，聚焦探头3设于焊接工件1的焊接部位的斜上方，聚焦探头3固定角度没有限制，且在激光焊接过程中可以进一步调整聚焦探头3的位置，以保光谱仪4输出光谱信号强度明显高于噪声信号，同时不超过光谱仪4的测量范围。除本实施例外，聚焦探头3还可以与激光器2同轴布置。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本 发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。当前第1页1 2 3