（机械电子工程专业论文）大功率盘形激光焊接过程飞溅特征分析.pdf

摘要 摘要 激光焊接技术起始于2 0 世纪7 0 年代的美国，激光焊接具有高质量、高精度、高 效率、高速度和低变形等特点。随着高功率c 0 2 和高功率的y a g 激光器的研制成功， 激光焊接技术应用越来越广泛，在工业发达国家普遍应用于工业领域。大功率盘形激 光焊接是当前先进的激光焊接技术之一，与其他焊接方法相比，具有激光功率大、光 束质量优良、大深宽比和极高的激光利用率等特性。 金属飞溅是大功率盘形激光焊接过程中的一个重要现象，其特征与焊接质量、焊 接过程稳定性以及能量利用率等有着密切的联系，因此研究金属飞溅特征与焊接质量 之间的关联具有重要的意义，是实现焊接过程在线控制的重要基础。以大功率盘形激 光焊接3 0 4 不锈钢为试验对象，研究焊接过程中的飞溅特征。在紫外波段和可见光波 段应用高速摄像机摄取焊接过程中产生金属飞溅的瞬态特征，利用计算机图像处理技 术对飞溅图像进行预处理，提取全局图像飞溅的数量、面积、距离总和以及图像质心 高度特征参数。预处理后计算每个飞溅的质心、面积、灰度、平均灰度和半径，以上 述特征为基础建立飞溅动态识别算法并对飞溅进行识别，提取新飞溅的特征参数。以 焊缝宽度作为衡量焊接质量与焊接过程稳定性的因素，应用最小二乘法对全局图像金 属飞溅的特征参数进行线性和高次拟合，研究飞溅特征参数的波动规律，并与焊缝宽 度的变化对比，探索焊接过程飞溅特征参数变化规律。对不同焊接区域的新飞溅特征 参数进行统计，计算新飞溅特征参数在不同区域下特征值的总和、平均值和基于不同 阈值下的百分比，结合焊缝宽度分析新飞溅特征参数变化规律。应用b p 神经网络建立 全局图像飞溅特征参数与焊缝宽度之间的数学模型以及新飞溅特征参数与焊缝宽度之 间的数学模型。试验结果表明，根据全局图像飞溅特征参数变化规律和新飞溅特征参 数统计值能够对大功率盘形激光焊接3 0 4 不锈钢板焊接质量做出动态评估，全局图像 飞溅特征参数的b p 神经网络模型和新飞溅特征参数的b p 神经网络模型均能够预测焊 缝宽度的变化趋势，为实现焊接质量的在线监控提供了理论和试验依据。 关键词：大功率盘形激光焊接；金属飞溅；识别；最小二乘法；b p 神经网络 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yo r i g i n a t e df r o mt h eu n i t e ds t a t e si nt h e19 7 0 s ，w h i c hh a s c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g h q u a l i t y , h i g h p r e c i s i o n ，h i g h e f f i c i e n c y , h i g h - s p e e da n dl o w d i s t o r t i o n w i t ht h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rc 0 2a n dy a gl a s e r , t h e a p p l i c a t i o no fl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g ya r em o r ea n dm o r ew i d e l y i ti sg e n e r a l l yu s e di n i n d u s t r yf i e l d si ni n d u s t r i a l i z e dc o u n t r i e s h i g h - p o w e rd i s kl a s e rw e l d i n gw a so n eo ft h e a d v a n c e dl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ho t h e r w e l d i n gt e c h n o l o g y , i th a s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hl a s e rp o w e r , e x c e l l e n tb e a mq u a l i t y , h i g hw e l ds e a md e p t h t o - w i d t h r a t i oa n dh i g hl a s e ru t i l i z a t i o n s p a t t e rw a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h e n o m e n ad u r i n gl a s e rw e l d i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs p a t t e r sw e r er e l a t e dt ot h eq u a l i t ya n d s t a b i l i t yo fw e l d i n ga n dt h e u t i l i z a t i o no ft h el a s e rp o w e r t h e r e f o r e ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a ls p a t t e ra n dt h eq u a l i t yo f w e l d i n g i tw a sa ni m p o r t a n t f o u n d a t i o nf o ro n l i n ec o n t r o lo ft h e w e l d i n gp r o c e s s a na p p r o a c ht oa n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs p a t t e r sw a si n v e s t i g a t e d d u r i n gh i g h - p o w e rd i s kl a s e rb e a d o n p l a t e w e l d i n go ft y p e 30 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lp l a t e sa tc o n t i n u o u sw a v el a s e rp o w e ro flo k w a nu l t r a v i o l e ta n dv i s i b l es e n s i t i v eh i g h - s p e e dv i d e oc a m e r aw a su s e dt o c a p t u r et h e d y n a m i ci m a g e so ft h el a s e rw e l d i n gs p a t t e r s t h en u m b e r , a r e a , a n de je c t i n gd i s t a n c eo f s p a t t e r sa n dt h ec e n t r o i dh e i g h to fs p a r e ri m a g e sa r ec a l c u l a t e da s t h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fw e l d i n gp r o c e s s t h ec e n t r o i dp o s i t i o n ，a r e a , g r a y s c a l e ，a v e r a g eg r a y s c a l ea n d r a d i u so fe a c hs p a t t e rw e r ee x t r a c t e da f t e rs p a r e ri m a g ep r e p r o c e s s i n g s p a r e rd y n a m i c r e c o g n i t i o na l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e db a s e do ns p a r e rf e a t u r ep a r a m e t e r st or e c o g n i z et h e s p a r e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fn e ws p a r e r sw e r ee x t r a c t e d t h ew e l db e a d w i d t hw a sc o n s i d e r e da sap a r a m e t e rr e f e c t i n gt h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s s t h ec h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so fg l o b a li m a g es p a t t e r sw e r ef i r e du s i n gt h el e a s ts q u a r e s m e t h o d t h el i n e a ra n dt h eh i g h e ro r d e rp o l y n o m i a lc u r v ef i r i n gf o rt h ed a t aw e r eu s e dt o s t u d y t h ev a r i a t i o nr u l eo ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fg l o b a l i m a g es p a t t e r s i n c o m p a r i s o no ft h ef l u c t u a t i o no ft h ew e l db e a dw i d t h ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es p a t t e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fw e l d i n gw a ss t u d i e d t h es u m ，a v e r a g ea n d p r o p o r t i o nb a s e do nd i f f e r e n tt h r e s h o l do fn e ws p a t t e r s i nd i f f e r e n tw e l d i n gr e g i o n sw e r e c a l c u l a t e dt os t u d yt h ev a r i a t i o nr u l e o ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fn e ws p a t t e r s c o m b i n i n gw i t ht h ew e l db e a dw i d t h t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eg l o b a li m a g es p a t t e r s c h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r sa n dt h ew e l db e a dw i d t ha n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fn e w s p a t t e r sc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r sa n dt h ew e l db e a dw i d t hw e r ee s t a b l i s h e db yb p n e u r a l n e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fa c t u a ll a s e rw e l d i n gs h o w t h a tt h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t y o fah i g h - p o w e rd i s kl a s e rw e l d i n go ft y p e3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lp l a t e sc o u l db e m o n i t o r e da n de s t i m a t e db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs p a t t e r s ，t h eb p n e u r a l n e t w o r km a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ea b l et op r e d i c tt h et r e n do ft h ew e l db e a dw i d t h ，w h i c h w a st h ef o u n d a t i o nf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fw e l d i n gq u a l i t yi nr e a lt i m e k e y w o r d s ：h i g h p o w e rd i s k l a s e rw e l d i n g ；m e t a ls p a t t e r s ；r e c o g n i t i o n l e a s ts q u 盯e m e t h o d ；b pn e u r a ln e t w o r k c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 一1 1 1r e s e e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2o v e r v i e wo fl a s e rw e l d i n g 2 1 2 1w o r k i n gp r i n c i p l e so fl a s e rw e l d i n g 2 1 2 2c l a s s i f i c a t i o no fl a s e rw e l d i n g j 1 2 3t e c h n 0 1 0 9 ) ，f e a t u r eo fl a s e rw e l d i n g 4 1 2 4a p p l i c a t i o no fl a s e rw e l d i n g 5 1 3r e s e a r c ho ns p a t t e r so fl a s e rw e l d i n g 5 1 4s i g n i f i c a n c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 7 1 5s u m m a r y 7 c h a p t e r 2e x p e r i m e n to fh i g h p o w e rd i s kl a s e rw e i d i n g 9 2 1o v e r v i e w so fe x p i e r i m e n t a ls y s t e m 9 2 2m a i nh a r d w a r es t r u c t u r e ”1 0 2 2 1h i g h p o w e rd i s kl a s e rd e v i c e 1 0 2 2 2s y s t e mm o d u l eo fl a s e rw e l d i n g “1 0 2 2 3i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m 11 2 2 4o t h e re q u i p m e n t s 1 2 2 3e x p e r i m e n t a lp r o g r a m ”1 2 2 4s 1 l i n m a r y 15 c h a p t e r3i m a g ep r o c e s s i n ga n d f e a t u r ee x t r a c t i o no fm e t a ls p a t t e r s 17 3 1f o u n d a t i o no f i m a g ep r o c e s s i n g 一1 7 3 1 1i m a g ed i s c r e t i z a t i o na n dm a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no fd i g i t a li m a g e 17 3 1 2i m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ei n t r o d u c t i o n 1 8 3 2f e a t u r ee x t r a c t i o no fg l o b a li m a g es p a t t e r s 1 8 3 2 1i m a g ep r e t r e a t m e n to fm e t a ls p a t t e ri m a g e 1 9 v i i 广东工业大学硕士学位论文 3 2 2e x t r a c t i o no fs p a t t e r sn u m b e r 2 3 3 2 3e x t r a c t i o no fs p a t t e r sa r e a d i s t a n c ea n di m a g ec e n t r o i dh e i g h t 2 4 3 3s p a t t e rd y n a m i c r e c o g n i t i o na n df e a t u r ee x t r a c t i o n 2 7 3 3 1t h em a i ni d e ao f s p a t t e rr e c o g n i t i o n 2 7 3 3 2c h a r a c t e r i s t i c sd e f i n i t i o no f s p a t t e r 2 8 3 3 3i n f o r m a t i o no fs p a t t e rs e a r c h i n gd a t a b a s e 2 9 3 3 4s p a t t e rd i r e c t i o na n d s e a r c h i n gr e g i o n 3 0 3 3 5e s t a b l i s hs i m i l a rf u n c t i o n sa n dr e c o g n i t i o no p e r a t i o n 3 2 3 3 6f e a t u r ee x t r a c t i o no f n e w s p a t t e r s 3 7 3 4s u m m a r y 4 0 c h a p t e r4c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fm e t a ls p a t t e r s 4 2 4 1e x t r a c t i o no f w e l d i n gs e a mw i d t ha n dr e g i o n a l i s mo fw e l d i n gs e a m 4 2 4 2a n a l y s i so f g l o b a li m a g es p a t t e rc h a r a c t e r i s t i c s 4 4 4 2 1f i t t i n gp r i n c i p l eo fl e a s ts q u a r em e t h o d 4 4 4 2 2f i t t i n ga n a l y s i so f g l o b a li m a g es p a t t e rc h a r a c t e r i s t i c s 4 5 4 3a n a l y s i so f n e w s p a t t e rc h a r a c t e r i s t i c s 51 4 4s u m m a r y 5 3 c h a p t e r5m o d e lo fw e l d i n gs e a ma n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 5 4 5 1b pn e u r a ln e t w o r km o d e l i n g 5 4 5 1 1o v e r v i e w so f n e u r a ln e t w o r k 5 4 5 1 2n e u r o nm o d e 5 4 5 1 3b pn e u r a ln e t w o r k 5 5 5 2m o d e lo f g l o b a li m a g es p a t t e rc h a r a c t e r i s t i c s 5 7 5 2 1d a t as a m p l es e l e c t i o n 5 7 5 2 2d a t an o r m a l i z a t i o n 5 7 5 2 3n e u r a ln e t w o r kp a r a m e t e r ss e l e c t i o n 5 8 5 2 4b pn e u r a ln e t w o r ks i m u l a t i o na n de r r o ra n a l y s i s 5 9 5 3m o d e lo fn e w s p a t t e rc h a r a c t e r i s t i c s 6 5 5 3 1d a t as a m p l es e l e c t i o n 6 5 5 3 2n e u r a ln e t w o r kp a r a m e t e r ss e l e c t i o n 6 6 v i i i 5 3 3b pn e u r a ln e t w o r ks i m u l a t i o na n de r r o ra n a l y s i s 6 6 5 4s u m m a r y 7 2 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 7 3 r e f e r e n c e s 7 5 p u b l i c a t i o n s 7 9 d e c l a r a t i o n ”8 0 a c k n o w l e d g e m e n t ”8 1 a p p e n d i x 8 2 a p p e n d i x1m a t l a bp r o g r a mf o ri m a g ep r e p r o c e s sa n d f e a t u r ee x t r a c t i o n 8 2 a p p e n d i x2m a t l a bp r o g r a mf o rs p a t t e rd y n a m i c r e c o g n i t i o na l g o r i t h m “8 3 a p p e n d i x3m a t l a bp r o g r a mf o r n e w s p a t t e rc h a r a c t e r i s t i c ss t a t i s t i c s 8 3 a p p e n d i x4m a t l a bp r o g r a mf o r b pn e u r a ln e t w o r km o d e l i n g 8 9 i x 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 激光焊接技术起始于2 0 世纪7 0 年代的美国。激光焊接技术的发展经历了固体受 激物质一气体受激物质一固体受激物质、脉冲激光焊接一连续激光焊接、低功率一高 功率、薄板厚件、低速一高、低频一高频及低效一高效的历史。激光焊接足材料加 工和激光加工技术应用的重要手段之一，具有高质量、高精度、高效率、高速度和低 变形等特点，使其成为2 l 世纪最受瞩目且最具发展前景的焊接技术之一。随着高功率 c 0 2 和高功率的y a g ( y t t r i u ma l u m i n u mg a r n e t ，钇铝石榴石) 激光器的研制成功，激光 焊接的应用越来越广泛，主要用于：制造业、粉末冶金、电子工业、汽车工业、生物 医学、塑料激光焊接、新材料激光焊接、造船工业、航空航天工业等领域。 大功率盘形激光焊接足当前先进的激光焊接技术之一，与其他焊接方法相比具有 激光功率大、光束质量优良、大深宽比和极高的激光利用率等特性h 1 。尤其是对于焊接 厚板材料，大功率盘形激光焊接不需要开坡口和填充材料，能一次性焊接成型，大大 节约了工时和成本。激光焊接过程是一个典型非线性、时变和易受干扰的多变量复杂 系统。由于激光焊接独特的工作原理，焊接过程中热传导不均匀、焊接材料不均匀、 焊接加工环境的变化以及激光束在匙孔内部不规则的反射和折射，使得影响激光焊接 质量的因素很多。同时，激光焊接过程中产生烟尘、金属蒸汽辐射、飞溅和焊件的热 变形等【5 】，即使在焊接控制参数保持恒定的情况下仍然会出现焊接不稳定状态，直接影 响着激光焊的焊接质量。而保证激光焊接质量的方法之一是实现焊接过程的在线监控， 为此，首先就要找到焊接传感特征量变化规律以及与焊缝质量间的关系【6 】。 激光焊接 过程中所产生的飞溅、金属蒸汽和焊件的热变形等给焊接质量的判别提供了大量的实 时数据，通过对这些数据进行分析，可以实现对激光焊接质量做出在线评估。 飞溅是激光深熔焊过程中的一种现象，当激光束辐射焊件使其局部熔化并形成熔 池和匙孔后，匙孔内充满金属蒸汽和等离子体，当金属蒸汽量超过某个临界值，熔池 底部的液态金属在冲力的作用下形成飞溅【7 - s 1 。所以飞溅与焊接的稳定性和焊接质量有 着密切的关系，研究飞溅特征与焊接质量之i h j 的关联足实现焊接过程在线控制的重要 广东工业大学硕士学位论文 基础。 视觉图像是人类获取外界信息的主要手段之一，图像中含有丰富的信息。当前， 图像传感技术在激光焊接领域的应用己引起国内外学者的广泛重视。图像传感可以获 取激光焊接过程中丰富直观的焊接图像信息，而且图像传感器不会对加工引入额外的 干扰。随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉直接观察激光焊接过程，建立焊接 过程质量实时传感与控制系统，已经成为激光加工领域的主要研究方向之一。在金属 飞溅图像中，可以提取出大量有用的特征信息，探索特征值与焊接质量之间的规律， 从而得出金属飞溅与当前焊接质量之间的关系，达到在线监测激光焊接质量的目的。 1 2 激光焊接概述 1 2 1 激光焊接工作原理 激光( 1 a s e r ) 是英文l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n 的缩 写，意为“通过受激辐射实现光的放大 。激光是利用辐射激发光放大原理而产生一种 单色、方向性强、光亮度大的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于o o l m m 、 功率密度高达1 0 1 4 w c m 2 的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源 o l 。激光除 了与其他光源一样是一种电磁波外，还具有其他光源不具备的特性，如高方向性、高 亮度( 光子强度) 、高单色性和高相干性1 9 1 。 激光焊接时，激光照射到焊件的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分被 吸收，进入材料内部。光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可以防止剩余能量被 金属反射掉。材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间( 约为1 0 母s ) 内完成的。对 于金属，激光在金属表面o 0 1 - - - 0 1 岬的厚度中被吸收转变为热能，导致金属表面温度 升高，再传入金属内部，当温度达到材料的熔点时，材料将熔化形成熔池，如果材料 导热性能良好，则会得到较大的熔深，进而达到焊接的目的 g q o l 。大功率激光焊接的实 物图如图1 1 所示。 2 第一章绪论 图l 一1 大功率激光焊接实物图 f i g u r e1 - 1i m a g eo fh i g h - p o w e rl a s e rw e l d i n g 1 2 2 激光焊接分类 按照激光发生器工作性质的不同，激光有固体、液体、半导体和气体激光之分。 根据激光器输出能量的不同和激光对工件的作用方式，激光焊可分为脉冲激光焊和连 续激光焊。脉冲激光焊输入到工件上的能量是脉冲的、断续的，每个激光脉冲在焊接 过程中形成一个圆形焊点，而连续激光焊在焊接过程中形成一条连续的焊缝。根据激 光焊接过程中是否产生匙孔，激光焊接可分为传热焊和深熔焊，如图1 2 所示。 ( a ) 传热焊 ( 1 激光束2 一等离子体云3 熔化材料4 匙孔5 一熔深) 图1 2 激光焊接模式【1 0 】 f i g u r e1 2m o d eo fl a s e rw e l d i n g 广东工业大学硕七学位论文 ( 1 ) 传热焊：采用的激光光斑功率密度小于1 0 5 w c m 2 时，激光将工件表面加热，温度 处在材料熔点与沸点之间，材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温 度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大形成 熔池，熔池形状近似为半球形，凝固后形成焊点或焊缝，这种焊接方法称为传热焊。 ( 2 ) 深熔焊：当激光光斑的功率密度足够大时( 1 0 6 w c m 2 ) ，激光束在极短的时间内 ( 1 0 - s1 0 6 s ) 将工件表面加热，使其温度升高到沸点，使金属熔化和汽化。产生的金 属蒸汽以一定的速度离开熔池，逸出的蒸汽对熔化的液态金属产生一个附加压力， 使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小孔。当光束在小孔底部继续加 热时，产生的金属蒸汽一方面压迫孔底的液态金属使小孔进一步加深。另一方面， 向孔外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周，便在液态金属中形成一个细长孔 洞。当光束能量所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属表面张力和重力平衡后， 小孔不再加深，形成一个稳定深度的匙孔而进行焊接，称之为深熔焊f 9 】。 1 2 3 激光焊接技术的特点 激光焊接是以高能量密度的激光束作为热源的熔焊方法。采用激光焊不仅生产效 率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也得到显著提高。与一般焊接方法相比，激光 焊具有以下特点1 9 ，。引。 ( 1 ) 聚焦后的激光束具有很高的功率密度，加热速度快，可以实现深熔焊和高速焊。由 于激光加热范围小，在同等功率和焊件厚度条件下，焊接热影响区域小、焊接应力 和变形小，焊缝质量好。 ( 2 ) 激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可以通过透镜及光纤等光 学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件、难以接近的部位，还可实现 焊接过程的远程控制与自动化生产。 ( 3 ) 激光在大气中损耗小，可以传过玻璃等透明物体，适合于在玻璃制成的密封容器里 焊接铍合金等剧毒材料；激光不受电磁场的影响，不存在x 射线防护，也不需要 真空保护。 ( 4 ) 激光焊接具有极高的功率密度，对一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属、 钛、石英等非金属材料、对热输入敏感材料都可以进行激光焊接，并能对异性材料 施焊。 目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍有以下几个方面1 1 5 - 7 】。 4 第一章绪论 ( 1 ) 当前，激光器特别是高功率连续激光器和焊接系统的配件价格仍然比较昂贵，所以 在生产初期投资以及维护成本比传统焊接工艺高。 ( 2 ) 固体材料对激光的吸收率较低，特别是在激光致金属蒸汽出现以后，金属蒸汽对激 光具有吸收、折射和散射作用。光束能量转换效率( 通常为5 3 0 ) 很低。 ( 3 ) 激光焊接的聚焦光斑较小，很小的装备偏差就会产生较大的加工误差。对焊件加工、 组装、定位要求均很高。 1 2 4 激光焊接的应用 激光焊接技术具有传统焊接方法不可比拟的优越性，尤其是随着大功率激光器的 产生，激光焊接技术的发展经历了一系列的技术变迁，工艺从简单到复杂，在目前的 工业应用中日趋广泛，已经涉及到航空航天制造、船舶制造、武器制造、汽车制造、 家电制造、压力容器制造等行业，遍及军用、民用、医用等领域，激光焊接技术、电 子束加工技术以及等离子束加工技术被誉为2 1 世纪最具发展前景、最有效率的加工技 术1 1 8 1 。 1 3 激光焊接飞溅分析研究现状 我国目前焊接自动化水平与国外发达国家相比有很大差距，焊接自动化率日本为 8 0 6 ，西欧为7 4 ，美国为7 1 ，我国仅为2 3 。未来1 0 年我国焊接自动化率的目 标是7 0 ，所以大功率盘形激光焊接的自动化将有广阔的发展空间。激光焊接过程中， 激光束照射到焊接材料上，焊接材料与激光能量相互作用产生物理效应，能发射出各 种可应用于检测激光焊接质量的信息，如由带电电荷移动而产生的电流和导电材料上 的电荷堆积信号、材料的加热、膨胀和蒸发产生的声波信号、等离子体辐射电磁信号 ( 紫外、可见光和近红外辐射) 、熔池材料的辐射( 红外辐射、近红外和可见光) 、喷发出 来的焊接飞溅的光信号等。上述的这些信号都可用于激光焊接质量的检测，但作为焊 接质量实时跟踪信号检测，则多以视觉传感检测为主f 1 9 - ：。目前，焊接过程中产生的光 信号为主要的检测对象。 大功率激光焊接速度快、能量密度大、而且焊接过程伴随着温度的剧烈变化，将 产生各种光源辐射的干扰，如金属蒸汽、飞溅和烟尘等。普通的摄像机难以直接摄取 熔池及其周围的具体信息。因此采用监测激光焊接过程的金属飞溅信息来监测焊接质 量足一种切实可行的方法。 广东工业大学硕士学位论丈 目前国内外对c 0 2 保护焊的飞溅研究较多，在c 0 2 焊接中，大部分焊丝熔化金属 可以过渡到熔池，有一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外，飞到熔池之外的金属称为飞 溅。c 0 2 保护焊的熔滴过渡是产生飞溅的主要原因，熔滴过渡形式有：短路过渡、颗 粒过渡和喷射过渡 2 2 五钔。飞溅的产生受到多种因素的影向，呈现较复杂的现象，除了上 述原因外，焊接条件不当、电源缺相等都可以造成飞溅增多。减少飞溅控制的措施要 有：选择合理的焊接电流与焊接电压参数，在电流方面可以选择电流控制法、波形控 制等，避免使用大滴排斥过渡形式；在短路过渡时，可以采用( 斛c 0 2 ) 混合气体代 替c 0 2 以减少飞溅1 2 2 , 2 5 - 2 7 】。在大功率激光焊接方面，对熔池特征和金属蒸汽特征进行光 谱和温度梯度研究较为深入眦，】。目前，监测大功率激光焊接质量的方法比较多，例如 声音信号检测法、光信号检测法、温度信号检测法、电信号检测法和图像信号检测法 等。对于大功率激光焊接飞溅的研究主要集中在飞溅金相组织、飞溅喷发状况与焊件 污染关系、飞溅速度与路径的研究 3 0 - 3 q ，以及通过改变大功率激光焊接条件来分析焊接 质量等【3 2 】。在惰性气体保护金属电弧焊( g m a w ) 的过程中，通过光信号检测焊接熔池和 高速摄像机摄取熔池区域附近信息，通过图像处理和飞溅跟踪算法描述焊接过程中产 生的飞溅，能够计算出飞溅的速度、方向和大致的运动轨迹，并对飞溅做出分类，用 于研究金属飞溅与工件污染情况之间的关系 3 q 。焊接金属中喷发出来的飞溅导致焊接 出现填充不足、下陷、坑、气孔或爆裂等，这些都对焊接的机械性能有不利的影响。 瑞典的a f h k a p l a n 和j p o w e l l 提出了在激光焊接过程中不同类型飞溅现象的系统 描述，这个分类系统促进飞溅研究成果的对比和组合，使得这一领域的研究人员成为 未来更有效的研究团队【3 3 1 。y o n gw h a np a r k 在韩国应用i r 和u v 二极管传感器监测和 采集激光焊接过程中的等离子体金属蒸汽和金属飞溅信号，并通过多特征的模式识别 算法分析并评估焊接质量1 3 4 。模式识别和卡尔曼滤波算法被用于提高飞溅识别准确率 和金属飞溅特征分析的效果 3 5 1 。通过图像处理技术能够准确计算焊接过程中飞溅的位 置信息，这样能消除飞溅对熔池识别的影响【3 6 】。德国的l n i c o l o s i ，r t e t z l a f f 等人通过 基于c e l l u a rn e u r a ln e t w o r k ( c n n ) 算法系统能够检测到激光焊接过程中产生的飞溅，该 算法已经应用于e y e r i s 视觉系统。通过图像处理和建立面具窗口的方法能够对检测 到的金属蒸汽和金属飞溅做出区分旧。总体上，目前对大功率( 激光功率1 0 k w 及以上) 盘形激光焊接的飞溅特征分析的研究比较少。 6 第一章绪论 1 4 选题意义及主要研究内容 由于激光焊接过程是一个时变的、非线性的和易受干扰的多变量复杂系统。目前 虽然在个别的激光加工领域已实现有限度的激光焊接自动化，但是由于选取的检测对 象不合适，导致检测困难和设备复杂化，需要在激光焊接前期做大量的准备工作，极 大地阻碍了激光焊接的自动化进程。 金属飞溅的喷发存在于整个激光加工过程当中，金属飞溅的各种特征参数一直随 着激光焊接的不同状态而变化。金属飞溅中包含着大