（光学工程专业论文）铝合金COlt2gt激光焊接双波段光信号实时监测系统研究.pdf

摘要 摘要 随着激光技术的不断进步，激光铝合金焊接在工业上应用越来越广泛，激 光焊接由于其良好的工艺性能和易于实现自动化的特点，在自动焊接领域的运用 比例也在不断扩大。相应的焊接监控技术也蓬勃发展起来，监测是监控的第一步。 焊接监测技术的发展对于实现焊接自动化有着重要的意义。 本论文系统详细介绍了大功率c 如激光焊接铝合金过程稳定性监测的可行 性依据和所开发的监测装置。并介绍了运用该装置进行监测的一部分试验成果。 文章首先分析了大功率c 0 2 激光焊接铝合金过程中的信号与焊接过程的关 系，通过试验对于信号的可行性进行了初步分析。确定选取等离子体光信号作为 焊接稳定性的主判据，并采取激光反射光信号作为辅助判据。监测装置由传感器、 采集调理电路、计算机组成。信号由传感器经调理电路调制后，利用基于p c i 接 口的数据采集卡转换成数字量，输入计算机软件。该监测软件使用v c n e t 编制， 功能包括曲线绘制、数据存储、数据处理等。 试验主要有两个目的，一验证监测装置的可靠性，调整系统参数。如， 传感器和合适位置，电路的放大倍数，滤波电路的闽值，曲线显示的位置及比例 参数等。二对几种板材焊接过程进行了监测工艺试验，研究了监测曲线与焊接 过程以及高速摄像图片之间的关系。对于激光铝合金焊接过程中的不稳定现象做 了初步研究。 关键词：激光焊接；铝合金；等离子体；反射光；监测；高速摄像 北京工业大学工学硕士学位论文 曼篁皇詈曼曼鼍詈目皇岛皇皇皇鼍曼量曼舅董| ! 皇曼曼皇i l l | 皇皇置皇曩量皇吕墨鼍曼皇蔓| 暑皇曼舅| ! 曼量曩皇舞鼍寰 a b s t r a c t a l o n gw i t hl a s e rt e c h n o l o g yp r o g r e s s e su n r e m i t t i n g l y , t h ea p p l i c a t i o no fl a s e rb e a m w e l d i n gf o ra l u m i n u ma l l o y so ni n d u s t r yb e c o m ea p p l i e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e b e c a u s eo fi t sg o o dc r a f tf u n c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e i n ge a s yt oc a r r yo u t a u t o m a t i o n ，t h el a s e rw e l d i n gh a sb e e ne x t e n d e dc o n t i n u o u s l yi nt h eu s a g eo ft h e a u t o m a t i cw e l d i n gr e a l m t h eh o m o l o g o u sw e l d i n gs u p e r v i s i o nt e c h n i q u ea l s o d e v e l o p sr a p i d l y , m o n i t o r i n gi st h ef i r s ts t e po ft h er e a ls u p e r v i s i o n t h ed e v e l o p m e n t o f w e l d i n gm o n i t o r i n gi si m p o r t a n tt ot h er e a l i z a t i o no f t h ew e l d i n ga u t o m a t i o n t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h em o n i t o r i n go fp o s s i b i l i t yw i 廿lh i g hp o w e r c 0 2l a s e r l a s e rb e a mw e l d i n gf o ra l u m i n u ma l l o yp r o c e s sf o rs t a b i l i t ya n dt h e m o n i t o r i n gd e v i c ed e v e l o p e da c c o r d i n g l y i na d d i t i o n ，ap a r to fe x p e r i m e n t e dr e s u l t s w h i c hh a sg o t t e nb yt h i sm o n i t o r i n gd e v i c ea r ei n t r o d u c e d 。 a r t i c l ef i r s t l ya n a l y z e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eh i g hp o w e rc 0 2l a s e rw e l d i n g p r o c e s sf o ra l u m i n u ma l l o y sa n di t ss i g n a lf r o mt h et h e o r i e s ，t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e f i r s ts t e pa n a l y s i sa b o u tt h es i g n a lo fi t sp o s s i b i l i t yi sc a r r i e do u t t h el i g h to ft h e p l a s m ae m i t t i n gi ss e l e c t e da st h el o r do fs t a b i l i t yc r i t e r i o n ，a n dt h es i g n a lo fr e f l e c t e d l a s e ri sa d o p t e da sa c c e s s o r i a lc r i t e r i o n 。m o n i t o r i n gd e v i c ec o n s i s t so fs e n s o r s ，t h e c o l l e c t i n ga n dm a n a g i n ge l e c t r i cc i r c u i t e d ，c o m p u t e r s i g n a lg e n e r a t e df r o ms e n s o r s i sm o d u l a t e db yt h ea d j u s t i n gt om a n a g ee l e c t r i cc i r c u i tb e f o r ei tb e c o m e sn u m e r a l t h r o u g ht h ec o l l e c t i n gc a r db a s e do np c ii 0a n dt h e ni n p u t t e dc a l c u l a t o rs o f t w a r e c a l c u l a t o rs o 内, , v a r ei si m p l e m e n t e dw i t hv c n e t ，w h o s ef i m c t i o ni u c t u d e sd r a w i n g c u r v e ，s a v i n gd a t a , p r o c e s s i n ge t c t h e r ea r et w op u r p o s e si ne x p e r i m e n tm a i n l y ：f i r s t ，v e i l f yt h ec r e d i b i l i t yo ft h e m o n i t o r i n gd e v i c ea n da d j u s tt h es y s t e mp a r a m e t e r s u c ha s ，t h ea p p r o p r i a t ep o s i t i o n o fs e n s o r s ，t h em u l t i p l eo fe l e c t r i c c i r c u i te n l a r g i n g ，t h ef r e q u e n c yt h r e s h o l do ft h e f i l t e r i n ge l e c t r i cc i r c u i t ，t h ep o s i t i o na n dc o m p a r i s o np a r a m e t e ro fc u r v ee t e s e c o n d d os o m em o n i t o r i n gc r a f te x p e r i m e n tt oaf e wp l a n k st os t u d yt h er e l a t i o no ft h e c u r v e ，t h ew e l d i n gp r o c e s sa n dt h ep i c t u r es h o tb yh i g h s p e e dv i d i c o n 、b e s i d e s ，al o t o fr e s e a r c hf o r t h eu n s t e a d yp h e n o m e n o nw i t h i nt h el a s e rw e l d i n gp r o c e s sf o r a l u m i n u ma l l o yh a v ec a r r i e do u t 一t t a b s t r a c t k e y w o r d s l a s e rb e a mw e l d i n g ，a l u m i n u ma l l o y ，p l a s m a ，r e f l e c tl a s e am o n “o r h i g hs p e e ds h o o t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期： 关于论文使用授权的说明 2 0 0 丐，箩 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 激光加工是将高能激光束经过聚焦作用于被加工物体的表面，从而引起物 体物理状态、组织结构、性能改变的加工过程。 激光加工是一门新兴学科，它拥有无接触性，很好的空间和时间的可控性， 热影响区小，易于传导等一系列优点。但是，主要是由于铝合金存在对激光的高 反射和自身的高热导率，2 0 世纪8 0 年代初铝及其合金的加工在欧洲激光加工界 还是一个禁区。十多年来，经过科研工作者的不懈努力，高强铝合金的加工的难 题已经陆续被解决。由于激光加工极高的生产效率和极强的柔性，大功率激光器 已经开始应用于汽车与飞机卷4 造领域。进入2 l 世纪，激光焊接因为其热输入量 小、精度高、焊接材料限制少，表面成形好以及焊缝性能优良，生产效率高、加 工柔性好、易于实现自动化等诸多优点而被大量应用到汽车、电子等各行业中。 美国、日本、德国等国的各大汽车生产商都装配了数条激光焊接、切割生产线。 铝合金激光加工技术正在逐渐成为生产制造中主要的加工方法。随着铝合金大功 率激光焊接在工业上，特别是汽车、航天等领域的应用越来越广泛，对其焊接质 量提出越来越高的要求。影响激光焊接质量的参量比较多，例如激光功率、光束 特性( 模式，偏振等) 、离焦量( 工件表面偏离光束焦平面的距离) 、焊接速度等。 在长时间连续焊接过程中某些参量势必要发生变化；同时，由于铝合金本身的一 些特性，例如，铝合金本身的可焊性差，对激光的反射率高，使铝合金的激光焊 接过程更加不稳定。现代工业自动化程度越来越高，自动焊接的应用也越来越广 泛，相应的对焊接过程稳定性的监控的需求也越来越迫切。 激光加工需要加工监测手段的支持，高强铝合金激光加工更是如此。铝对 激光的吸收少，快速热加工过程对结晶形态，熔体流动，成分析出极分布极为敏 感。因此激光焊接，切割的质量受各种因素的影响非常大。如果不能辨别导致质 量变化的原因，而仅凭试错法等经验性工艺参数调整，逼近，所得焊接结果极不 稳定。为了提高加工质量保证的科学性，必须采用监测方法来确保铝的加工效果。 光束质量差，铝表面的功率密度较小，吸收的入射激光能量很快就将散失到铝基 北京工业大学工学硕士学位论文 i i 材的其它部分，使其它部位的铝基材加热，而熔化区的物态达不到该激光加工类 型要求的物理条件，可以说，高强铝合金激光加工对光束质量的敏感性使相当高 的，只有获知光束质量参数和光束特性，才能完全确定其加工加工状态信息。另 外，高强铝合金的焊接经常引入填充焊丝、粉末等手段，而这些介质对焊接过程 及焊接质量的影响，如对光吸收散布区的改变，对等离子体大小的影响，对熔池 流动的影响，对氢气从熔池铝中析出的影响，对熔池深的改变，这些微观作用在 最终焊缝上不能直接获知，而必须在焊接的时候采用分析监测的方法间接定量分 析。 铝合金激光焊接质量的实时监测和闭环控制研究就成为一门重要的研究课 题。焊接过程实时监测是实现闭环控制的第一步。 过程监测的含义，是在加工处理( 不包括加工准备阶段) 时，对加工过程， 通过加工体系中机械量、物理量的同步监测进行有关过程稳定性准则的检验， 从而判定加工过程是否有效，并将测量结果以相同或变换对应的信息输出，以供 生产人员进行如终止加工、修改加工参数等控制操作。质量监测的含义体现为， 对加工后的工件尺寸、形状、性能等，进行采集和测量，与设计要求指标比较， 若不相符，刚加工专家系统修改加工工艺参数，最终依靠相应的加工工程满足要 求。 过程和质量监测手段，可以在加工中达到的功能有以下几项。 ( 1 )标出加工工艺的有效性。从一次监测结果可得出过程稳定性曲 线，从多次监测结果判断出现加工失效的次数。 ( 2 ) 标定加工系统的稳定性。对同一规格的加工对象用同加工工艺 参数实施对此加工操作，从多次监测结果可分析得到监测信号 是否存在衰减或增强的现象，从蔼检验加工系统的稳定性。 ( 3 )分析造成加工过程失稳、加工质量欠缺的物理机制。对各种因素 分类判别。 ( 4 )通过监测得到的信号经处理反馈给加工系统，实时采取补偿措施 消除失稳及造成的加工缺陷。 1 。2 大功率c 0 。激光焊接机理 目前，激光加工机理方面的一些问题并未研究透彻，在机理方面的研究较 第一章绪论 困难的是激光材料作用的本质特性所造成。激光加工特别是深熔焊接是一个极为 复杂的物理化学过程，激光携载了大功率光能，辐射在材料表面，通过极高强度 的电场，磁场作用( 光电场本质为电磁场) ，使材料表面的束缚电子极化，或使 自由电子谐振，将光能传输给材料表面原子或分子。原子或分子获得能量后，产 生热振动，并相互碰撞。这样，通过光场与材料原子或分子的耦合作用，能量由 光能转变为热能，在材料内造成热效应。激光的部分能量将在很薄的表层内被 吸收并转化成热，使表面温度升高。当激光功率密度大于材料所需的临界功率密 度时，原来为凝聚态物质的蒸发是重要的效应。相比之下，在薄的加热层中所含 的能量是小的，几乎所有的能量都用于使物质蒸发。然后使气体加热并加速。蒸 发过程以一定传输速度向前推进，同时蒸汽的反冲作用在材料表面产生一定的反 冲压力。金属的蒸发作用在材料表面的压力正比于激光强度和材料对激光的吸收 率。由于材料的蒸发在材料表面产生反冲压力，使熔融金属表面下陷并形成小孔， 如图卜1 所示。 九村羌 图卜l 激光束入射及反射不意 小孔的形成对于焊接的加工过程具有重要意义。一般来说，激光加工时激 光束通常垂直于加工表面，吸收面为工件的上表面，按照平面的法线法则，激光 的入射角为零，在这种条件下，金属对激光的吸收率通常很低。一旦形成小孔或 切口，激光束不再直接所用在工件上表面，而是作用在小孔侧壁切缝前沿，相对 于新的吸收面法线，激光束具有一定的入射角，此时材料对激光的吸收与激光的 偏振状态和入射角有关。另外，小孑l 的形成除了因激光入射角的改变导致吸收率 的增加之外，小孔壁的另一个重要作用是通过多次反射吸收激光能量，从而使进 北京工业大学工学硕士学位论文 入小孔内的激光能量几乎1 0 0 地被吸收。除了菲涅耳吸收之外，小孔也可以通 过等离子体吸收激光能量。在c 0 。焊接时，在小孔内充满激光诱导地等离子体。 等离子体吸收能量后，在通过热传导、对流和辐射将能量传递给小孔壁。有些学 者认为这是激光焊接时能量吸收地主要机制，但另一些学者认为，等离子体对激 光地吸收将降低到达小孔底部地激光功率密度，从而使焊接深度减小，等离子体 吸收地激光能量仅使焊缝变宽，对焊接没有意义。 1 3 激光焊接过程监测信号介绍 复杂的过程带来复杂的现象，同时也带来许多用于监测过程的信号。激光 焊接过程中主要的监测信号有光、声、电、热等信号。激光焊接过程中出现的各 种可利用的监测信号见图1 2 。 图卜2 焊接过程中的各种监测信号 1 3 1 光信号 在激光焊接过程中与焊接过程相关的光信号包括：被工件反射和在穿透焊 情况下透过小孔的激光辐射：工件上方和在穿透焊接情况下工件下方等离子体发 出的从紫外到红外的光辐射。 在不同的焊接状态下等离子体对激光的反射、折射、散射、吸收等作用是 不同的。当小孔存在时，工件对激光的吸收率大大提高，被工件反射的激光功率 减少；而当d , - l 消失时，工件对激光的吸收率迅速减小，反射功率大幅度提高。 因此，对激光辐射的监测在一定程度上可以反| 立工件对激光的吸收状态，可以用 于监测焊接过程。从底部测量激光辐射仅用于穿透焊，并且传感器不易安装定位， 这种方法实用性很差。 最常用的传感信号是激光诱导等离子体的光辐射。在激光深熔焊接过程中 4 一 第一章绪论 母材吸收足够的激光能量后大量蒸发，从小孔喷出的金属蒸汽进一步吸收激光能 量而被激发电离，从而形成等离子体。在焊接过程中焊接规范和工况条件影响着 焊接热输入的多少，而激光热输入的多少又决定着形成小孔的大小，小孔的大小 同时又表现在材料蒸发的多少，蒸汽的多少和密度影响着蒸汽对激光的吸收，从 而决定了材料电离形成的等离子体的情况。等离子体激光材料相互作用，决定焊 接过程的进行。所以说，等离于体的波动情况实时地反应了焊接过程的波动，通 过对等离子体的监测可实现焊接过程的实时监测。 另外一种利用光信号监测焊接过程的方法是高速摄像，在激光焊接过程实 时监测中是种新兴的监测方法。利用高速摄像机对焊接过程中的小孔进行实时 拍照，然后通过图象处理技术提取小孔的特征参数，进行过程的实时监测。这种 监测方法直接对小孔进行监测，其监测信号信息量大，可靠性高，消除等离子体 对小孔的遮挡作用是这种方法主要的技术难点。 还有一种方法是利用熔池辐射的红外光作为监测判据，红外信号的幅值决 定于溶池的温度分布和表面积，而溶池的温度分布和表面积又决定着未来焊缝的 形状。因此红外信号可反映出最终焊缝的表面情况。 利用焊接现场的红外光监测目前国外采用反射激光作为判据是一种新兴的 方法：通过测量整个空间的反射激光发现，在小孔形成以前，约有8 0 的入射 能量被反射，在小孔形成后，则下降到约2 0 以下。激光设备的光学系统控制 着激光的聚焦和发射方向，同时熔池辐射出的光也可以通过光学系统反方向传 播。因此，可以通过检测光学系统中的反射光来了解熔池的信息。 1 3 2 电信号 宏观上呈电中性的等离子体是由大量的带负电的自由电子和带正电的离 子组成的，这些带电的粒子在蒸汽压力的作用下，从小孔或工件表面向喷嘴方向 运动。自由电子运动速度大大高于带正电的粒子的运动速度，这样导致在等离子 体内部打破了局部的电平衡， 形成相对于激光入射点，沿激光入射轴线方向的 电位差。通过使用等离子电荷传感器( p l a s m ac h a r g es e n s o r ，p c s ) 测量工件 与焊接喷嘴间的电位差，可以判断等离子体强度或电子密度。而在未形成深熔焊 即无等离子体存在时，工件上方的金属蒸汽未被电离，不存在带电粒子和自由电 子，p c s 将接收不到电信号。 北京工业大学工学硕士学位论文 由于p c s 直接接收离子体中的电荷信息，而大量自由电子的存在是区分等 离子体和普通蒸汽的明显标志，因此p c s 信号是等离子体本质表现。另外，设计 中可将p c s 与焊接喷嘴放在一起，使其成为最简单、易于安装和便于应用的传感 器。可以判断等离于体的状态，实现间接地对焊接过程的实时监测，其原理见图 1 3 。 徽光辩 图卜3 焊接过程中电信号的监测 1 3 3 声信号 激光焊接过程中主要有两种可利用的声信号。 一种是不可听的声发射信号。这种信号是由于焊接过程中工件及其他结构 中应力释放产生的。不同的焊接状态等离子体对激光的折射、反射、散射、吸收 情况在不断变化，等离子体向外喷射发射的声波也就不同；另外，激光输出镜头 受热的作用也在不断改变，其上会产生声发射信号以及工件受热的作用和等离子 体波的冲击作用也会产生声发射信号。这些声发射信号频率高、信号微弱而且庞 杂，可以采用接触式压电传感器来测量，但对信号的分析需要很多的滤波和信号 调制器，这种方法只在早期有过报道。 另一种信号是可听声信号。在激光深熔焊接模式下等离子体从小孔中喷 射出来时的压力波动会发出一种可昕得到的声音。有关研究表明，这种声信号除 了与等离子体有关外，还与小孔和熔池的行为密不可分，更能反映焊接过程中质 量的变化。这种方法比较简单、实用，信号可用麦克风探测到，但易受外界的干 扰。 1 3 4 热信号 从熔池和热影响区发出的红外信号是一种热信号，直接或间接反应了熔池 的行为变化。这种热信号可以采用响应速度快的红外辐射传感器来监测。但是， 一6 一 第一章绪论 高温等离子云覆盖在小孔( 熔池) 的上方，从熔池中发出的热信号受等离子云辐 射的干扰很大且较难以抑制，因此它不是一种可实际利用的监测信号。而从热影 响区中发出的热信号受等离子云的干扰比较小；但是对于非常小的激光焊接热影 响区来说，它有着很大的温度梯度，系统的监测误差较大，所以这种监测方法可 靠性较低。 1 4 信号处理方法 过程监测到的信号都是动态的信号，对原始的信号般都要做简单的放大、 滤波处理，然后再做进一步的处理后才能够对监测到的信号做出评判。信号处理 的方法主要有以下几种： ( 1 ) 闽值比较法 这种方法主要是通过设定过程中某个监测量的阈值来判断过程的稳定 性，若是监测的信号超过阈值范围则刿定出现了质量阃题，否讯1 5 认为焊接过程稳 定。该方法只对信号作简单的放大、滤波、比较处理，常用在罐身、汽车板的焊 接中，主要用未监溺未焊透、烧穿以及焊族过程的稳定性。 ( 2 ) 时域、频域分析法 在对动态信号的分析中，频域和时域表明了动态信号的两个方面。时域 分析中以波形分析为主，波形分析是以时间轴为坐标表示动态信号随时间变化的 关系，时域表示比较形象、直观。频域分析是以频谱分析为主，频谱分析是把动 态信号变为以频率轴为坐标表示出来，频域表示动态信号则更为筒练。截析褐题 更加深刻和方便。目前，动态信号分析的趋势是从时域向频域发展，但二者又是 相互联系、缺一不可、相辅相成。 时域分析相对来说比较简单，多是对波形的幅值分析，如计算波形的最 大值、平均值、最小值等。通过分析，给出各种量的幅值关系，如幅僮的大小、 幅值对时间的分布等。 频谱分析是频域分析的主要手段，频谱特性是动态信号的基本特性之 一。在焊接过程监测信号的频谱分板中，由于功率谱图中突出了主频率，功率诺 分析成为最常用的频谱分析方法。通过频谱分析可以求得动态信号中各个频率成 分的能量分布。从而得到主要能量分布钓频率僵，为焊接过程的质量分析提供依 据。在频谱分析中最常用的是快速傅立叶变换，这种分析方法可以加深对信号物 北京工业大学工学硕士学位论文 理本质的认识，同时又可以提高诊断系统的精度和灵敏度“1 。 ( 3 ) 模糊评判系统 模糊评判系统是以模糊数学和模糊语言所形成的知识表示以及模糊的 规则推理为理论基础，采用计算机构成的评判分析系统。 g k i n sm a n 等人采用模糊逻辑控制手段。3 ，以摄像头获取等离子云光 斑的象素个数，实现以调节焊接速度为调节量的闭环控制。但是在调节的过程中 伴随有震荡过程，目前还没有达到实用的阶段。 ( 4 ) 专家系统 专家系统是一种以人类专家水平完成专门的或困难任务的计算机系统， 具有启发性、透明性和灵活性的特点。 英国l i v e r p o o l 大学基于专家系统开发了罐身激光焊接缺陷实时诊断系 统。该系统以喷嘴与工件间的电位差未探测等离子云的变化情况，以焊接喷嘴 作为探针探测由熔池压力波冲击产生的声发射信号来监测熔池的变化情况。 ( 5 ) 人工神经网络技术 人工神经网络技术是模仿人的大脑的神经单元来处理信息，具有结构化、非 线性、鲁棒性、并行性等特点。目前，人工神经网络技术在工况监控、故障诊断、 结构分析、设计优化以及几何建模等机械工程中得到了大量的应用。 1 5 国内外发展现状及趋势 铝合金激光焊接过程实时监测，国外由于发展比较早，而且也已经有实用 的例子，不过理论上仍存在很多处于研究阶段。国内对于激光焊接的监测，华中 科技大学、北京航空航天大学和清华大学也在研究，不过，这两家研究机构研究 的对象一般是钢的激光焊接过程，华中科技大学采用的信号主要是等离子体和声 波信号，而清华大学主要是采用等离子电荷传感器( p l a s m ac h a r g es e n s o r 。p c s ) 测量电压信号。对于铝合金激光焊接过程的监测，国内研究的尚处于起步阶段。 1 5 1 信号采集方面 具体监测方法层面，国内外已经有大量的研究，采用的信号有很多种，数 据处理方法根据目的也分为多种。总体来说，目前趋向于采用多信号联合方式。 激光焊接是一个非常复杂的激光材料等离于体相互作用的物理化学过程。复 杂的过程带来复杂的现象产诸多现象中有些现象只能代表过程的某一方面，是从 8 一 第一章绪论 某一方面间接地表征复杂的焊接过程，并不是整个焊接过程的实质。用单一的传 感器来监测很难准确地监测到过程的全部信息，所以多传感器的监测方式将成为 激光焊接过程的主要监测方式。目前用得较多的是光、电、声三种信号联合监测 的方式。 等离子体光信号目前国内外研究的比较多，相对来说也比较成熟，传感器接 受光谱范围有取黑体辐射的3 0 0 r i m 左右的，也有选取范围是4 0 0 4 4 0 n m 的蓝 紫光信号“3 ，从文献资料上看，两个波段的监测结果大致相符，都能很好反映等 离子体云的波动情况。进而对焊缝稳定性有很好的反应。而且由于等离子体光强 度高，与喷嘴位置变化不大，光源有一定体积但是不大，相当于发光的球体，这 使得采集起来传感器安装位置简单，要求定位精度也不高，也比较所以容易，效 果也比较稳定。目前，这种方法研究的比较多，理论也比较成熟。故国内外激光 焊接监测中多采用其作为主信号。 等离子体光强信号主要反映的是被焊材料的蒸发量，当焊接出现不稳定导致 材料大量蒸发时，等离子体光强明显增强。但是当焊接过程中的缺陷或焊接情况 的变化不会导致材料蒸发量大幅度变化时，等离子体信号就很难明显反映焊接稳 定性的变化。如，焊缝对于一定范围内熔深不同的稳定焊接阶段0 3 ，等离子体光 强就变化不大：当错变量不大，被焊材料相对于激光焦点的距离变化不大，仍在 透镜焦深许可之内，因此被焊材料的蒸发量没有明显变化时，等离子体光信号也 基本维持不便“1 。为此需要其它补充信号来检测这类缺陷。华中科技大学，北京 航空航天大学一般就是采用等离子体信号作为主信号，另选一种或几种信号作为 辅助信号分析焊接过程。 华中科技大学采用的辅助信号多是等离子体从小孔中喷发时产生的声波信 号，焊接过程中的声源是熔池和小孔的形状。当出现小孔时，等离子钵以很高的 速度从小孔中喷发出来，造成很高的压力梯度分布，使声信号的强度大大加强。 熔池和小孔的形状变化时，势必削弱等离子体的喷发速度，使声信号即使在被焊 材料出现大大蒸发的情况下强度也大大减小“1 。 上海光机所采用红外信号作为辅助信号，红外传感器接受光谱范围是 1 2 n n ，该波段的光主要来自熔池表面的热辐射，红外信号的幅度决定于熔池 的温度分布和表面积，而熔池的温度分布和表面积又决定着未来焊缝的形状。因 北京工业大学工学硕士学位论文 i i i i 此，该红外信号可反应出最终焊缝的表面形状。从文献上看，主要是反应了焊缝 的宽度“1 。 清华大学对焊接熔透过程逆着光路传播的同轴光信号进行了研究，该光信号 实际包括了等离子体辐射，热辐射和激光反射光。信号分析方法主要采用频域分 析法。由于该信号比较微弱，极易受到干扰，系统稳定性可能不太好，从结论看， 应该还处于初步研究阶段”3 。 随着电子科技的发展，高速摄像设备的采集速度越来越快，越来越普及，高 速摄像作为一种很有效的监测方法应用也越来越普及。在一定的波段内，采用高 速摄影可以透过等离于云对小孔直按进行实时拍照，通过对所拍摄图像的处理， 可以提取出d , t l 的特征参数，从而对焊接过程进行监测。但是由于高速摄像价格 依然昂贵，而且采集数据量大，数据处理复杂，实时性相对来说比较差，目前主 要用来做研究，实时监测方面基本没有采用的实例。 1 5 2 数据处理方面 目前激光焊接过程实时监测中虽然采用多传感器监测，但对信号的处理 却没有将信号作为一个整体统筹起未考虑，而多采用分别处理的方式。这种信号 处理方式对所监测到信息中的冗余信息甚至是相互矛盾的信息无能为力，这无疑 将会对监测结果造成不利的影响。另外，对各个信号单独处理会造成资源和时间 上的浪费。对多传感器信息处理的较好的办法就是将各个信号统筹考虑，以获得 对监测目标准确一致的认识“1 。 1 6 本课题研究内容 本课题根据激光焊接和铝合金高反射率的特点，采用等离子体作为主要判 据，反射激光作为辅助判据，来实现对焊接过程稳定性的实时监测。 本课题研究内容： 1 设计传感器、硬件电路和监测软件搭起监测装置。对于焊接信号的采集、处 理方式进行试验，使装置可行化，监测过程更合理，有效化。 2 比较板材焊透与未焊透时，高速摄像、监测信号的变化特征。 3 研究了焊缝出现大量工艺孔洞时，高速摄像视频、监测信号的变化特征。 4 研究了焊缝出现塌陷、烧穿时，高速摄像视频、监铡信号的变化特征。 1 0 第二章试验装置 第2 章试验装置 2 1 总体方案 本监测系统主要由三部分组成： a 光学传感器 b 信号调理采集电路 c 以微机为基础的数据处理系统。 采用等离子体发出的紫外信号和反射激光信号作为监测信号。通过合理设 计传感器及其安装位置，达到最好的采集效果。传感器输出信号经调理电路调制 后，用数据采集卡转成数字量输入计算机，然后利用软件对数据进行实时记录和 处理 隅 ： - - 。= = 声型 国2 一l 试验装置系统原理图 其中u v 传感器用于采集等离子体信号，在激光深熔焊接过程中母材吸收 足够的激光能量后大量蒸发，从小孔喷出的金属蒸汽进一步吸收激光能量而被激 发电离，从而形成等离子体。在焊接过程中焊接规范和工况条件影响着激光热输 入的多少，而激光热输入的多少又决定着形成小孔的大小，小孔的大小同时又表 现在材料蒸发的多少，蒸汽的多少和密度影响着蒸汽对激光的吸收，从而决定了 材料电离形成的等离子体的情况。等离子体激光材料相互作用，决定焊接过程的 进行。所以说，等离子体的波动情况实时地反应了焊接过程中质量的波动，通过 对等离子体的监测可实现焊接过程的实时监测。所以目前国内外的激光焊接监测 装置多采用其作为激光焊接稳定性的主要判据。 使用i r 传感器的目的是采集反射的红外激光信号。铝合金焊接的主要特 点是激光反射率比较高，当垂直入射时，在热导焊阶段反射率高达9 7 ，深熔 焊阶段也达到百分之十几。在深熔阶段，小孔内部的形状变化对于入射光的反射 北京工业大学工学硕士学位论文 率也有重大影响，当小孔封闭形成工艺孔洞时，小孔深度有重大变化，这是入射 光在小孔壁上的反射次数减少，明显反射率将大大增加。如图2 2 一焊接方向 图2 - 2 焊接过程中小孔的形态变化 所以反射光直接反映了小孔的形态变化。可以直接监测小孔的成型和工艺 孔洞的形成。 这时，材料的蒸发量可能不会有重大变化，所以等离子体信号不能明显反 映这些变化。所以反射光信号可以有效的作为等离予体信号的补充。 2 2 黑体辐射理论概述 高温等离子体具有很强的黑体辐射。 2 2 1 绝对黑体 黼轧2 盖2 脊 式中：m 。 ：温度为t 时，黑体地光谱辐射出射度。 毛：波长为 时的光的发射率。 则： l 绝对黑体 s 。= s = 1 ，s 不随波长变化而变化； 2 灰体白= = c i 0 0 ) 放大器硬件可选增益：l $ ；2 l o ；t 0 0 ：1 0 0 0 ( 倍) a d 转换分辨率：1 2 位 北京工业大学工学硕士学位论文 a d 转换速率：1 0 ps a d 转换非线性误差：t l s b 系统综合误差：0 1 f s r( 1 倍时) a d 启动方式：程序启动外触发启动 a d 工作方式：程序查询中断请求 a d 转换输出码制：单极性原码 双极性偏移码 隔离形式：三总线光电隔离型 隔离电压：5 0 0 v 开关量部分( 非隔离的) ： 输入路数：1 6 路t t l 电平 输出路数：1 6 路t t l 电平 电源功耗：+ 5 v ( 1 0 ) 8 0 0 m a ( 平均值) 环境要求：工作温度： 1 0 4 c 4 0 c 相对湿度：4 0 8 0 存贮温度：一5 5 + 8 5 2 4 5 3 工作原理： p c i 一8 3 1 9 光电隔离模入接口卡主要由多路模拟开关电路、离性能放大 器电路、模数转换电路、开关量输入输出电路、接口控制逻辑电路、光电隔 离电路及d c d c 电源电路组成。 ( 1 ) 多路模拟开关电路： 多路模拟开关由4 片8 选1 模拟开关芯片等组成，通过k j l 和k j 2 跨接 插座可以选择3 2 路单端或1 6 路双端输入方式，并将选中的信号送入差分 放大器处理。 ( 2 ) 高性能放大器电路： 本卡选用a d 公司的a d 6 2 0 ( 或b b 公司的i n a l l 8 等) 作为本卡的信号处 理放大器，该芯片是一羊申低功耗、高精度的仪表放大器，具有良好的交直流 特性，并且可阻方便的改变放大增益。本卡在出厂时是按照x l 、 ( 2 、1 0 、 1 0 0 、1 0 0 0 倍的增益设计的，通过跨接器k j 3 可以方便地改变增益，以 配合不同的传感器或信号源。同时，用户在必要时可根据自己的使用需要改 2 6 第二章试验装置 变增益电阻，以确定适用的放大增益。 ( 3 ) 模数转换电路： 本卡选用a d 公司的a d l 6 7 4 ( 或b b 公司的a d s 7 7 4 ) 作为本卡的模数转换 器件。该器件内部自带采保和精密基准电源，具有较高的转换速率和转换精 度。a d 转换可以由程序启动，也可由外部触发信号启动。a d 转换结束 的标志可以由程序查询检出，也可通过中断方式通知c p u 处理。 ( 4 ) 开关量输入输出电路： 本卡还提供了各1 6 路的开关量输入输出信号通道。需注意对这些信号 的使用要求应严格符合t t l 电平规范，同时应注意这些信号与计算机之间没 有隔离。 ( 5 ) 接口控制逻辑电路及光隔电路： 接口控制逻辑电路用来将p c i 总线控制逻辑转换成与各种操作相关的控 制信号。光电隔离电路使用光祸来对系统总线与模拟信号之间进行光电隔 离，以避免相互间的干扰。 ( 6 ) d c d c 电源电路： d c d c 电源电路由电源模块及相关的滤波元件组成。电源模块的输入电 压为+ 5 v ，输出电压为与原边隔离的1 5 v 和+ 5 v ，原付边之间隔离电压可 达1 5 0 0 v 。 2 4 5 4 工作模式选择 本课题根据信号特点，采用该采集卡的双极性、单端输入工作模式，软件通 过调用其配套驱动程序中提供的通讯函数来实现对采集卡的控制和操作。该工作 模式输入电压为5 v 之间。各个通道共地。 2 5 软件设计 软件使用v c n e t 编写，主要功能包括数据拾取、记录、存储、绘制曲线、 曲线缩放以及以b m p 格式输出监测曲线功能。 2 5 1 多线程介绍 随着操作系统技术的发展，先后出现了多种程序设计、分时系统和分布式计 算机等许多新的技术，大大提高了系统运行的效率。用进程的观点来研究操作系 统是目前普遍采用的方法之一。而且，由于进程和线程概念的出现，对于提高系 北京工业大学工学硕士学位论文 统的并行性具有重要意义，而单纯的顺序执行的方式已经不能满足用户的需求， 所以多线程的程序设计也就应运而生。 要正确了解多线程概念，我们必须同时了解进程的概念和二者的差别。简单 的说，进程就是应甩程序的执行实铡，每个进程都是由私有的虚拟遗址空间、代 码、数据和其它各种系统资源所组成的。进程在运行过程中创建的资源将随着进 程的终止而被销毁，所使用的系统资源在进程终止时也被释放或关闭。线程是进 程的个执行单元。比如，线程可以是一个函数，或者个活跃的类对象。当系 统创建好进程后，实际上就启动了该进程的主执行线程，并且主执行线程以函数 地址形式( 比如说m a i n 函数或w i n m a i n 函数) 将程序的启动点提供给w i n d o w 系 统。主线程终止了，进程也就随之终止。 每一个进程至少有一个线程，即主执行线程。主执行线程无须程序员书写代 码去创建，而是由系统将应用程序启动后自动创建的。程序员可以根据需要在应 用程序中创建其它的线程，多个线程可以并发地运行于同一个进程中。一个进程 中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，并且可以使用这些虚拟地址空间、 全局变量和系统资源。 使用多线程具有以下优点： 由于c p u 的处理速度比较快，使用户在做侔事情的时候还可以做另 外一件事。 在具有多个c p u 的情况下，就可以充分利用硬件的优势，将一个大任 务分成几个小任务分别由不同的c p u 来完成。 可以为每个线程设置优先级，以调整工作进度。 实际程序设计过程中，通常将线程分成以下两大类： ( 1 ) 用户界面线程。 ( 2 ) 工作者线程。 在本课题的软 串多线程运用情况如下： 本软件主要运用了两个线程： 一是用户晃面线程。 二是数据采集线程。 一2 8 第二章试验装置 用户界面线程是主执行线程，用于完成界面显示、人机交互、参数设置、 数据处理等工作。而数据采集线程，主要用于数据输入和即时存储。属于 工作者线程。两个线程都是必须的。因为工作者线程一旦启动，它所作的 工作就是不断的快速采集数据，存储数据，处理数据。这时，软件无法接 受外部命令。如果把这部分工作放在主线程中，一个明显的问题就是，程 序将一直不断的采集、存储、处理数据，操作者将无法使其停下来。直到 存储空间耗尽，计算机死机为止。 2 5 2 木b 肝位图 本软件输出图形的格式为w i n d o w s 软件都支持的 b m p 格式。现将 b m p 格 式位图介绍如下： 图像文件的格式很多，如b m p 、j p g 、p c x 、g i f 、t i f 、t g a 等。从其数据 存储方式分，主要为两大类：点阵型和向量型。b m p 属于点阵型图像格式。 b m p 图像文件最早应用于m i c r o s o f t 公司推出的m i c r o s o f tw i n d o w s 窗口系统。 由于m i c r o s o f tw i n d o w s 系统的影响已遍布全世界，w i n d o w s3 1 、w i n d o w s9 5 、 w i n d o w s9 8 、w i n d o w s n t 等的先后推出，已经使m i c r o s o t t w i n d o w s 成为p c 机 环境下窗口系统事实上的工业标准。b m p 图像文件格式也越来越受到重视。由 于b m p 格式是w i n d o w s 环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在 w i n d o w s 环境中运行的图形图像文件都支持b m p 图像格式。 b m p 文件由以下三部分组成： ( 1 )有关文件信息的b i t m a p f i l e h e a d e r ( 2 ) 有关位图信息的b i t m a p i n f o b i t m a p i n f o 又由位图信息头b i t m a p i n f 0 狐a d e r 和颜色表组成， 但颜色表不是必须的，比如真彩色位图就没有颜色表。 ( 3 ) 图像数据阵列 图像数据阵列是自左向右、自下向上排列的，即开始放置的是图像最下 一扫描行，接着是倒数第二行；另外，每一个扫描行的字节必须是4 的整数倍， 如果不是则以0 补足；依图像的颜色数决定每一象索的位数。 北京工业大学工学硕士学位论文 b i t m a p i n f _ b i t 卜_ | 盎p f i l h e a b e r b i t m a p i n f 口h e a i e r 颜色表 图像数据 图2 - 1 2b