（材料加工工程专业论文）基于多信息融合的激光脉冲mag复合电弧诊断.pdf

摘要 随着科技的发展，2 0 世纪出现了先进的激光焊接加工方法。虽然激光焊接 的优点很多，但是也存在一些缺点，如工件装备要求严格、焊接效率差等，这些 缺点限制了它的大规模工业应用。为弥补这些缺点和不足，继而开发出的激光一 电弧复合焊接系统弥补了以上的不足，并取得了良好的效果。 本文在系统地分析了国内外激光电弧复合焊接技术的研究状况的基础上， 发现国内极少对激光一电弧复合电弧进行研究。本文采用同步电流、电压、高速 摄像及光谱信息的采集方法，系统地研究了未复合脉冲m a g 电弧和激光复合电 弧的物理过程，并对激光加入前后电弧的变化作了对比。通过分析复合前后电弧 的变化，揭示了激光对m a g 电弧的影响机理和作用规律，为进一步合理、有效 地利用激光进行激光脉冲m a g 复合焊接奠定基础。 本文分别采用脉冲m a g 电弧，激光m a g 旁轴复合电弧的两种电弧进行焊 接试验。在焊接空间内建立坐标轴，然后分别对电弧范围内特定的坐标点进行焊 接数据采集。 试验结果表明，( 1 ) 不同的电流电压状态对应的高速摄像图片以及光谱辐射 强度有明显不同。试验采集到了复合焊接条件下，电弧各种状态的高速摄像图像 和光谱信息；( 2 ) 通过对高速摄像图像的研究发现，激光复合后电弧的形貌发生 了明显的变化。复合以后的电弧较之于未复合的电弧变“扁”、变“宽”；( 3 ) 通 过对光谱数据的分析发现，复合电弧的能量中心与未复合电弧的能量中心相比发 生变化。未复合电弧的能量集中于焊丝端部附近，而复合焊电弧能量集中于工件 表面。未复合电弧能量集中在焊丝端部，有利于加热焊丝；复合电弧能量集中于 工件表面，有利于加热母材。母材接受的能量增大有利于焊缝熔深的加大，这也 可在一定程度上解释激光脉冲m a g 复合焊能量利用率高，焊缝质量好的特点。 关键词：激光；脉冲m a g ；复合焊；光谱；高速摄像；同步 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , an e wa n da d v a n c e dw e l d i n gm e t h o d n a m e dl a s e rw e l d i n gc a m eo u ti n2 0 也c e n t u r y h o w e v e ri tc a l ln o tb ew i d e l yu s e d o w i n gt oi t sp a r t i a ls h o r t c o m i n g ，s u c ha st h es m a l l e rf i t t i n gt o l e r a n c eb u t tw e l d i n ga n d t h ep o o rw e l d i n ge f f i c i e n c i e s t h e nd e v e l o p e dl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gt om a k eu pf o r t h ei n a d e q u a c yo f t h ea b o v e ，a n dh a v ea c h i e v e dg o o dr e s u l t s b a s e di ns y n t h e t i ca n ds y s t e m a t i c a la n a l y s i so ft h es t a t e - o f - t h e - a c to fl a s e r - a r c h y b r i dw e l d i n gt e c h n i q u e ，r a r e l yf o u n dd o i n gr e s e a r c ho nt h ea r co fl a s e r - a r ch y b r i d w e l d i n ga th o m e i nt h i sp a p e r , s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dp u l s em a gw e l d i n ga n d l a s e r - p u l s em a gw e l d i n g ，a n dc o n t r a s t e dt h ec h a n g eo f t h ea r cb e f o r ea n da f t e rj o i n e d t h el a s e r , w i t ht h em e t h o do fs y n c h r o n o u sc o l l e c t i n gc u r r e n t ，v o l t a g e ，h i g h - s p e e d c a m e r aa n dt h es p e c t r a li n f o r m a t i o n a f t e rc o n t r a s t i n g ，w er e v e a l e dt h ei n f l u e n c i n g m e c h a n i c so fl a s e ro nt h el a s e r - p u l s em a gw e l d i n g ，w h i c hp r o v i d e dat h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ru t i l i z a t i o no f t h i st e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n tu s e dp u l s em a gw e l d i n ga n dl a s e r - p u l s em a g w e l d i n gw i t hc o m p l e x a x i s e s t a b l i s h e dt h ec o o r d i n a t ea x i si nt h ew e l d i n ga r e a ，a n d t h e ns y n c h r o n o u sc o l l e c t e da l lk i n d so fd a t aa tt h es p e c i f i cp o i n t s ，r e s p e c t i v e l y t e s tr e s u l t ss h o wt h a t ，( 1 ) u n d e rd i f f e r e n tc u r r e n ta n dv o k a g e ，h i g h - s p e e dc a m e r a i m a g e sa n dt h es p e c t r a lr a d i a t i o ni n t e n s i t yi so b v i o u s l yd i f f e r e n t a l s oc o l l e c t e da v a r i e t yo fs t a t eo fh i g h - s p e e dc a m e r ai m a g e sa n ds p e c t r a li n f o r m a t i o nu n d e rt h e c o n d i t i o no fh y b r i dw e l d i n g ，( 2 ) t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ea r ch a sc h a n g e dd r a m a t i c a l l y b e f o r ea n da f t e rl a s e ri sj o i n e d t h ea r co f h y b r i dw e l d i n gi sf l a t t e ra n dw i d e rt h a nt h a t o fp u l s em a gw e l d i n g ，( 3 ) a f t e ra n a l y z i n gt h es p e c t r a ld a t a ，t h ec e n t e re n e r g yo ft h e a r ch a st r a n s f e r r e d t h em a x i m u mv a l u ee n e r g yo fp u l s em a gw e l d i n gi sn e a rt h e t o r c h , j u s ta tt h et o po fw i r e b u tt h eh i g h e s te n e r g ya f t e rh y b r i di sc l o s et ot h e w o r k p i e e e t h em a x i m u m v a l u ee n e r g yn e a rt h ew i r ec o n t r i b u t e st ot h eh e a t i n gw i r e ， t h em a x i m u mv a l u ee n e r g yn e a rt h ew o r k p i e c ec o n t r i b u t e st ot h em a t e r i a l s t h i s e x p l a i n sw h yh y b r i dw e l d i n gh a sd e e p e rd e p t h , h i g he n e r g yu t i l i z a t i o na n dg o o d w e l d i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：l a s e r ，p u l s em a g , h y b r i dw e l d i n g h i g h - s p e e dc a m e r a ，s p e c t r u m , s y n c h r o n o u s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他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。 学位论文作者签名：名移公忿签字吼泸7 年i f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：牺办仓 签字日期：可q 年占月砂日 导师签名： 签字日期： 力月日 蠢曝 ，乒 第一章绪论 1 1 激光电弧的复合焊 第一章绪论 1 1 1 激光焊的特点及研究现状 随着当前科学技术的高速发展，激光焊接因为其独有的特点在焊接技术领域 占据着非常特殊地位。激光作为一种特殊的热源，同传统的焊接热源相比，具有 自身独到的特点。经过聚焦，激光束可达到极高的功率密度，可以熔化甚至汽化 高熔点的金属，因此可用于特殊材料的精密焊接。由于激光束能量集中，焊接过 程中输入的线能量小，因此热变形和焊接热影响区就很小，从而可以适当提高焊 接速度，生产效率得到大大提高。其次，激光束易于传输，尤其y a g 激光器， 可用光纤传输，容易实现柔性加工和焊接自动化。这些特点使得激光焊接在工业 中有极其良好的发展前景。 激光焊接采用聚焦性好的激光作为热源投射到焊缝处的表面上，在极短的时 间内将光能转化为热能，加热并熔化金属形成焊缝，这种方法具有如下优点： l 、加热集中，聚焦后的激光功率密度可达1 0 5 1 0 7w e r a 2 ，甚至更高。完成单 位长度、单位厚度工件焊接所需的热输入低，因此焊接完成后的热变形极小， 熟影响区也很窄，特别适合于精密焊接。 2 、易于实现单面焊双面成形，因为激光焊接是基于小孔效应的焊接方法，对工 件的加热属于体热源方式。 3 、由于激光束不受电磁干扰，所以无磁偏吹现象产生，适宜用作磁性材料的焊 接。焊接时不需要真空室，不会产生x 射线，对人体的危害也小。 4 、 焊接接头质量易于保证，一般不需要填充金属。 虽然激光焊接有很多优点但也有其不足之处，其表现在： l 、 设备的资金投入大，尤其是大功率激光焊接系统费用更高，占地面积也大， 并且日常的费用也很高。 2 、能量利用效率低。 3 、激光焊接大多不用填丝，使得激光焊接的应用范围窄，对焊缝的冶金控制也 很困难。 4 、激光束直径很小，在焊接时，对工件的装配精度要求高( 如卡具、工作台的 精度要求) ，增加了焊前准备的成本，限制了在生产中的大量应用。 第一章绪论 5 、有些材料( 如铜含金、铝含金等) 对激光的反射率很高，因此激光的实际利 用率进一步减小；此外，在铝台金激光焊接时还易出现裂纹、气孔等歃陷， 上述问题很夫程度上限制了激光焊接技术的大量应用，因此如何使得高成本 的激光焊接用途更为广泛。成为了大研究者重点研究的对象。 1 1 2 激光一电弧复合焊原理及特点 激光- 电弧复合焊简称复合焊，盛早是由英国的w ms t e e n 和他同事在上世 纪7 0 年代末提出来的。它是将能量传输机制、物理性质截然不同的两种热源 复合在一起，同时作用在同一加工位置，形成了一种全新的热源。复台热源具自 各自热源的优势，又弥补了相互之间的不足。原理图见1 1 所示。 图l - 1 馓光一电弧复台焊原理 w m $ t e t n 及其同事试验的基本思想是：在加上低成本电弧焊的条件下增加 了常规激光焊的焊接速度，从而改善了一些特殊村料焊接时的焊接性。该方法结 台了激光焊接和常规焊接的优点目的主要是为了增加熔深，提高效奉和降低成 本，无论是从经济角度，进是从工艺角度来看，都有非常大的适应能力和发展前 景。随后，科研工作者对复合焊进行了大量的研究，他们不仅证实了复台焊接的 可行性还将其广泛应用于具体的工业生产中。激光加电弧复合焊之所以能够在 第一章绪论 工业中得到应用，是因为具有以下特点： l 、能增加熔深。据研究可知，熔融金属表面的反射率要比固态金属表面的反射 率低【2 3 】。当激光照射到母材的熔融熔池时，母材能够吸收更多激光的能量， 借以提高熔化深度。对于某些材料，电弧的预热作用也能使得材料对激光的 吸收率明显提高1 4 j 。 2 、适用于铝合金焊接。当焊接电弧在前，激光在后面时，采用直流反接，电弧 可在激光焊接之前去除氧化膜，清洁焊缝表面，从而更加有利于激光焊接 5 8 1 o 3 、焊接过程稳定。当激光和电弧复合焊接时，激光等离子体为电弧稳定燃烧提 供更多的带电粒子和稳定的电流通道，使得电弧燃烧相对稳定，在高速焊接 时不易发生电弧拉断或漂移现象。当激光和电弧复合焊接时，由于激光和电 弧之间的作用使焊接过程变得非常稳定，因此可以实现无飞溅焊接。 4 、 改善了焊缝的成形【9 l0 i 。激光束在电弧前面辐射熔池，能够显著地提高焊接 熔池的温度，进而改善了熔化金属与固态母材的润湿性，减少了焊缝咬边现 象的产生。而且激光和电弧的能量都可以单独进行调节，将两种热源适当配 比即可获得不同的熔深和熔宽比的焊缝。 5 、增强了焊接适应性。由于加入了电弧，激光加电弧复合热源焊接过程可进行 填丝，并且电弧产生的熔化区也变宽，使得激光加电弧复合热源焊接降低了 对间隙、对中度及错边的敏感性。 6 、减少焊接缺陷和改善微观组织。复合热源焊接时，能够有效地降低熔池金属 的冷却速度，使得熔池中气体的逸出变得容易，减少了气孔产生，因此对焊 接某些高碳钢非常有帮助。另外，激光电弧复合热源焊接时，通过选用合适 的填充金属或焊丝，能够提高焊缝质量，减少气孔、裂纹、咬边等缺陷【1 1 3 1 。 7 、能量效率高。与常规弧焊相比，激光电弧复合热源焊接，热输入量较小，因 此热影响区较小。这就意味着焊接应力集中减小，焊接变形量更小，从而相 应的焊后校正处理工作也相应减小。 由上述可见，激光加电弧复合焊接技术具有很多优点，在工业领域有着非常 广泛的应用前景，是一种非常有前途的焊接技术 j 4 , 1 5 1 。 1 1 3 激光与电弧的复合形式 激光加电弧复合焊的复合形式较多，根据激光与电弧在焊接时的空间位置分 布的不同可以将复合形式分为两大类，即旁轴与同轴( 如图1 2 所示) 。 第一章绪论 磐接方向 、 飞j a 旁轴 b 同轴 图1 2 激光电弧复合形式 按照具体的复合类型，可以分为如下几种： 1 激光m i g m a g 复合焊接 因为存在送丝机构，所以大多数激光m i g m a g 复合焊是采用旁轴复合形 式。t i s h i d e 在研究中发现，当电弧与激光位置完全重合时，激光的能量主要用 作熔化焊丝，改变激光与电弧相对位置可增大熔宽、熔深。图1 3 是激光 m i g m a g 旁轴复合焊接热源系纠1 6 】。 研究发现，在进行激光m a g 复合焊接时，光斑与焊丝之间的距离为1i l l m 时， 焊接电弧最稳定。通过对熔深、熔宽的分析发现，复合后熔深能够增加1 5 倍以 4 第一章绪论 上，并且在短路过渡时激光复台焊接还能够改善焊缝的润湿性增加熔宽减 少焊缝的咬边现象，与单独激光焊接时相似当激光的焦点位于工件表面以下1 m m 时熔深达到最大值。复台焊接中电弧的能量输 可以冷却熔池金属：融化 的焊丝过渡到熔池可以改善单激光焊时的焊缝微观组织明显提高焊缝的综台 力学性能。 图1 - 3 激光一m i g m a g 旁轴复合焊接热源系统 2激光t i g 复合焊接 激光与t i g 电弧进行复合是堆早的一种复合焊方法，n d ：y a g 、c 0 2 激光与t i g 电弧复合焊接主要用于薄板金属的焊接。激光与t i g 旁轴焊接时，檄光在前可以 除去母材金属表面的杂质及氧化物，延长了钨极寿命，并使得钨极所受污染大大 减小。激光一t i g 复台电弧在焊接过程中，能量密度、能量输入都有所增加，明显 地提高焊接速度，改善了单一t i g 电弧焊接时效率低、速度慢的缺点。尤其是高 焊速、低电流和长电弧时，激光一t i g 复合电弧的焊接速度可以将近达到单纯激光 焊接的两倍，咬边现象也明显减小。此后在九十年代又出现了激光与t i g 同轴焊 接，这种焊接方法焊接过程比较稳定，无方向性，且焊接速度也大大增加。并且 在焊接过程中，复合焊接时的小孔直径是单一撒光犀接时的15 倍”，非常有利 于气体的逸出，减少焊接气孔产生。 3激光等离子弧复合焊接 c o v e n t t y 大学丁1 9 9 2 年首先开始激光与等离子弧复合焊接技术的研究。激 光与等离子弧复合焊接有很多的优点：电弧引燃性好、温度高、刚性好、方向性 强等。罔此，此种复台焊接方法在镀锌板搭接、薄板对接、表面台金化、铝台金 第一章绪论 焊接及切割等方面部有所应用i l s 4 0 1 。 对于澈光一等离子复合焊接来说，两种复合方式都可以采用。在同轴焊接时， 由于等离子弧焊枪的特殊结构，导致它与激光复台时的调节裕度很小不过大量 试验结果表明此种复合也具有很明显的优势，消除了等离了弧焊接时易于m 现的 咬边现象，增大了熔宽、熔深、焊接速度。 4 激光一双电弧复台焊接 德国亚琛大学焊接研究所( i s f ) 的研究人员开发出一种激光与双m i g 电弧 的复合焊设备把复合焊的理念加以拓展称为h y d r a ( h y b r i dw e l d i n gw i t h d o u b mr a p i da r e ) 焊接。这种焊接方法将激光与两个m g 电弧复合在一起，两 个焊炬均采用独立的送丝机构和电源，每个焊炬可以任意调整位置，如图1 f 4 所 示。 潞溺剥 斟i - 4h y d r a 复合焊设备【2 1 在激光的吸引作用下，取电弧作用在一起，三个热源同时作用在同一熔池中。 试验结果表明，与激光单一h 皿o 电弧复合焊相比激光职电弧复合焊单位长度 能晕输入减少了2 5 ，焊速增大了3 3 同时间隙裕度可达2 衄这都远远超 过了激光单一电弧复台焊。并且这种焊接设备空间可调裕度较大，无焊接方向的 限制，可以很好地用于自动化焊接划。 1 1 4 激光电弧复合焊研究现状及应用 目前，国外对激光电弧复合热源焊接技术的研究比较深入，甚至有的己经达 到工业化的阶段i m “ 。国外的主要研究机构包括：美国的e w i 、乌克兰巴顿焊 接研究所、德国的f r a u n h o f e r 研究所及a a c h e n u n v c r s i t y , b m u n s c h w e i g u n i v e r s k y 、奥地利的f r o n i u s 公司、英国的t w i 、丹麦的t e c h n i c a l u n i v e r s i t y 、 日本的o s a k a u n i v e r s i t y 及= 菱霞工激光研究所，加拿大的a e a n 公司等。 1 9 9 8 年日本研制了复合热源焊接系统其聚光系统和送丝系统采用同轴方 第一章绪论 式，工作头与工件之间的角度有较大调节范围，其在美国申请了专利( h y b r i d w e l d i n ga p p a r a t u s ：n o ：1 4 8 4 9 4 ) 。 2 0 0 0 年，英国t 支持海运业的项目之一是“以提高产品质量和提高生产 率为目的的激光电弧复合技术”。 2 0 0 1 年美国海军连接中一5 , ( n a v yj o i n i n gc e n t e r ) 成立的一个项目是激光m i g 复合热源焊接技术在造船业中的应用与发展【2 7 】。项目主要为了检测激光电弧复合 焊接是否适用于管形部件和船体结构件的焊接，并比较激光电弧复合焊接与常规 弧焊及单独激光焊接的优缺点，进而为这项技术的普及打下基础。 2 0 0 2 年奥地利的f r o n i u s 公司成功地完成了将激光电弧复合技术转化成实 际生产( 主要用于焊接轿车车门和车身) ，取得了良好的经济效益。f r o n i u s 公 司将研制出了用于机器人自动焊接的激光m i g 复合热源焊接枪，并应用到大众 和奥迪汽车生产线上。 我国现阶段也处在对激光电弧复合焊接的研究过程重，主要集中在c 0 2 激 光和t i g 复合上，还有有少量的脉冲y a g 激光和m a g 复合方面的研究。但是 与国外的水平差距还很大，且距离实际的工业应用还很远。国内的主要研究机构 包括哈尔滨工业大学、哈尔滨焊接研究所、天津大学、甘肃工业大学、华中理工 大学和大连理工大学。 1 2 焊接电弧等离子体的光谱诊断 1 2 1 光谱信息的特点 试验研究表明，光谱信息具有如下特点： ( 1 ) 灵敏度高。光谱成分的检出度通常可达几个p p m ( 百万分之几) 。同时其 信号以光速传递，电弧焊状态的变化在光谱信息中能很快得到反映。 ( 2 ) 信息量丰富。光谱不仅能反映被检测的物质种类，更包含有电弧内部各 物理参量的信息。由于光谱是光辐射电磁波分解出来的，每种元素均有其特定波 长的特征光谱分布，而且其特征谱线数量还不止一根，譬如，在氩气保护的条件 下含有1 0 铁离子的电弧中，仅在4 0 0 0 6 0 0 0 a 波长范围内，氩谱线就有4 3 根， 而铁谱线竟然达1 4 3 根。此外，在高温电弧中，还会出现很多的离子光谱。研究 表明，电弧光谱强度能反映出焊接电弧热力学系统的全部状态【2 8 1 。 ( 3 ) 便于定量计算。在测得光谱强度之后，能够同时计算出多个物理参量。 因为光谱量的计算已具有较完整的方程式和数学公式，并易于与其他物理方程建 立联系。 7 第一章绪论 ( 4 ) 信号的传输与处理容易。光信号通过光电转换器转换成电信号。同时， 对光信号的处理又有许多专门的方法，如空间聚焦、反射、滤波、分光以及光纤 传输等。这种光电双重处理手段对测控自动化的实施很有帮助。 ( 5 ) 同时具有空间与时间的分辨能力。光谱量的这一特点为研究电弧内部瞬 变现象、过渡过程以及各参量的空间分布提供了有效的手段。利用这一特点可以 开发出许多新的应用技术。 1 2 2 光谱诊断方法在研究电弧中的应用 一般电弧等离子体的物理参数如表( 1 1 ) 所示。等离子体内部的各种组分( 包 括各原子、电子、光子、离子、分子等) 之间经历着复杂的能量和质量的相互作 用和运输过程( 包括各种粒子间、电磁场与等离子体间等) ，同时伴随着各种形 式的辐射。要在不影响焊接过程的情况下，直接得到其内部的状态及各种运动过 程的参数，至今仍难以实现。因此，只能通过间接的手段来获取一些相关的数据， 从而推断出其等离子内部的各种参数情况。 表1 1- 般电弧等离子体特征参数的范围 2 9 1 温度( k )3 0 0 0 3 0 0 0 0 电子密度( e m 。)1 0 1 4 1 0 1 8 电场强度( v m ) 1 0 3 等离子体频率( h z )9 x1 0 0 9 x1 0 1 2 电离度( ) 1 0 4 对于通常工业部门及实验室应用的电弧等离子体，由于其电子密度较大且几 何尺寸较小，由表1 1 看出电子密度可达1 0 1 4 1 0 憾c m - 3 ，而且温度可达3 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 k ，接触式探头的寿命很短，同时接触式探头的进入不可避免地干扰到被 测量的参数场，所以由于条件的限制，一般使用的是非接触式的诊断技术。非接 触测量分为被动辐射测量和主动辐射测量，被动辐射测量是利用等离子体中所运 载粒子的原子跃迁产生的辐射来进行测量；主动辐射技术是利用外部光源的辐射 ( 相干或不相干) ，借助散射、透射、反射和吸收来探测。 目前光谱分析技术在焊接电弧物理研究领域主要有四个方向：一是利用光谱 分析法对电弧的组分进行分析，包括微量元素对材料焊接性能的影响及电弧氢含 量监测。二是针对弧光对焊工的危害及防护，通过不同焊接电弧辐射强度的变化 制定不同的防治方法，以此来应对电弧辐射的危害。三是利用弧光传感焊接行为， 利用光谱采集到的电弧信息分析电弧的变化规律，从而反映焊接过程，对电弧进 第一章绪论 行控制。四是利用光谱分析的方法对电极的物理性质及电弧本身进行分析研究， 主要是借助光谱分析手段，对电弧中熔化金属的温度、熔池表面的温度进行测量 和分析，对电弧的导电性能及温度场、钨极的发射性能和温度进行评价，这就是 所谓的光谱诊断。 电弧等离子体光谱诊断主要包括标准温度法、谱线相对强度法、谱线绝对强 度法、谱线宽度法和连续谱相对强度法等，其中谱线宽度法多用于电子密度的诊 断，而标准温度法和相对强度法常用于温度测量。 1 2 3 焊接电弧等离子体光谱诊断研究现状 等离子体的光谱研究起源于天体物理学和原子物理学。这两个物理学分支在 原子过程的统计方法、原子光谱分析以及原子的理论模型等方面，为等离子体光 谱学奠定了基础。以电弧等离子体为对象的定量光谱诊断，已经取得了一系列成 果，这些成果加深了人们对电弧物理过程的认识。 最初的研究工作开始于五十年代初。德国科学家m a e c k e r 、f “( e h l b e 玛、 l a r e n z 等借用天体物理的光谱测量方法，从离子谱线的强度上推断了几种形式电 弧的温度范围。将定量光谱法运用到电弧等离子体的诊断中。 j u 略e n s 用b a l m e r 系氢原子谱线的连续谱强度、相对强度以及绝对强度等三 种诊断方法，对水稳电弧的温度进行了测定，并得到了相近的测量结果。从而为 电弧等离子体在热激发过程中平衡性质的研究提供了实验依据。 b l l r h o m 、d i c k e r m a n 等分别采用电弧中粒子的谱线强度法和谱线轮廓法对 电弧中各组分的光谱辐射特点进行了分析，并对大电流电弧的径向温度分布作了 测定【3 0 】。 六十年代以来，c r r i e m 、l o c k e h o k 铲e v e n 、m c h t e r 等从统计力学角度和量 子理论，系统地阐述了定量光谱测试的理论。提供了关于原子( 和离子) 谱线强 度、跃迁几率、位移和展宽等详细的资料，给出了各种诊断方法的应用实例以及 理论模型选择的实用判据。从而使等离子体光谱诊断法在理论和实践上都日趋成 熟 3 1 , 3 2 】。 有代表性的工作如o l s e n 、b o b e r 、d r e u i s h a k 和c a m b l 等，在氩气保护下， 利用碳极或钨极在水冷铜极上获得的稳定电弧，在充气电弧室中对该类电弧的输 送性质( 扩散系数、电导率、热导率) 、辐射性质( 吸收系数、发射系数) 和热力学 性质( 密度、温度) 等作了计算和测定。 c 印i t e n i 、d e l p e c h 、a s m o v s k i i 、l ih u a n 等对混合气体( 如a r + n 2 、a i g - h 2 ) 电弧以及空气电弧等离子体进行了研究【3 3 1 。 s 叫等测定了铁极和铝极m i g 焊电弧的温度场，并分析了不同金属元素的 9 第一章绪论 蒸气对电弧的作用。g l i c k s t e i n 和h o w d e n 等也通过对水冷铜阳极和熔化钢阳极 的t i g 焊电弧温度的比较，进行了相关的讨论。 邵德森、王鸿章等采用连续谱线和离子谱线的绝对强度法测定了等离子体喷 焰的温度分布【3 4 1 。 天津大学宋永伦对焊接电弧等离子体光谱诊断法及其应用进行了基础研究， 获得了焊接电弧辐射光谱在时域、频域和空间等方面的分布1 3 5 。揭示了内部物理 本质与其焊接电弧辐射现象的联系。从辐射量所包含的丰富信息中，得到了不同 形式的焊接电弧过程在时间经历和空间结构上的特点及其规律的认识；建立了多 个光谱辐射量与等离子体内部各物理参量之间的定量关系，解决了通常情况下成 分比例未知的焊接电弧等离子体各物理参量的同时测量与计算问题：对自由过渡 与短路过渡的m i g 焊电弧、氩氢t i g 焊电弧、以及碳极堆焊等离子体弧进行了诊 断，得到了各类电弧过程物理特征和工艺性能的详细的数据资料，揭示了各种焊 接电弧过程中质量和能量分布的规律，为动态电弧过程的实时诊断开创了成功的 先例。 1 3 高速摄像采集 熔池尺寸和形状的传感是焊缝成形控制的基础，熔池的尺寸和形状对于焊缝 成形具有非常重要的作用，焊接过程中通过高速摄像的办法采集到瞬间的焊接状 态对于分析某点处焊接缺陷的产生，从而控制焊接参数都有着很好的指导意义。 高速摄影技术是一种先进的测试手段，它能把一个高速的运动过程或高速瞬 变过程的空间信息和时间信息联系在一起。作为能够记录高速过程的一种手段， 高速摄影技术在焊接中常用于熔滴过渡过程以及电弧形貌的研究【3 。 1 3 1 高速摄像采集研究现状 早期由于电子产品的性能落后、造价昂贵，多数采用高速摄像胶片的方法来 记录电弧的变化过程。此种方法能够检测到电弧的变化过程，其原理是高速摄影 胶片图像与计算机所采得的信号通过一个同步媒介使它们紧密对应。高速摄影所 摄得的图像是拍摄过程的某些不连续时间点的像，这些点与信号波形不同位置相 对应，就能进行同步分析。高速摄影胶片与信号波形之间最好的同步信号媒介莫 过于脉冲电信号。利用该信号可以在胶片上打下时标信号点，同时该时标信号和 电弧的其它信号一道送计算机采集，计算机采得的脉冲信号和胶片上信号点相对 照，就可以实现多信号的同步【4 引。 但是这种方法有其本身的缺陷。首先，由于采用的是胶片记录电弧信息，其 l o 第一章绪论 机械装置需要电机驱动，只有当胶片加速到正常速度后所拍摄的胶片图像才能是 清晰的，且加速时间的长短受很多因素影响，造成胶片浪费；其次，实验室做实 验需要大量数据，采用胶片记录的方法需要大量胶卷，投入成本巨大；再次，拍 摄完成后，后续的洗片工作繁杂，延长了研究工作的进度。 得益于电子产业和信息技术的迅猛发展，多种光学传感器件被研制出来并在 生产中得到了广泛应用，其中以光学c c d 器件为核心的高速摄像机在焊接过程 中获得了重要应用【4 8 1 。而目前软件技术和电子工业的发展为高速摄像机的工 业应用提供了有力的保障。 采用光学c c d 器件为核心的高速摄像机可以方便的与微机进行连接，通过 微机给出的采集信号即可触发高速摄像机进行采集，响应时间极快，无需担心其 同步性。光学c c d 器件为核心的高速摄像机只需要一次性投入即可，无需重复 投入。采集得到的电弧信息以图片的格式存储在微机中，可以方便的对其进行处 理和分析。较之与早期的胶片式高速摄像方法，光学c c d 器件为核心的高速摄 像方法有着极其优越的性能。 1 3 2 高速摄像拍摄方法分类 现阶段采用光学c c d 器件为核心的高速摄像采集电弧信息主要分为两种， 一种是带有背景光源的高速摄像方法，另一种是直接拍摄的高速摄像方法。两种 方法都有其自身的优势。 带有背景光源的高速摄像方法一般采用亮度高、聚光性好的光源作为背景光 源，通常采用的是小功率激光器、碘钨灯或氙灯。而由于激光具有方向性好、相 干性好、波长单一等特点，采用较为广泛。采用背景光源的高速摄像需要搭建特 殊的光路图，如图1 5 所示。 通过图1 5 可以看出，整套装置需要大量的光学仪器，激光经过透镜的汇聚 和和折射转变为一束平行光通过焊接区域，再经过透镜和小孔成像原理投射到成 像屏上，通过c c d 光学器件的高速摄像机拍摄图像，可以获得焊接电弧的图像。 由于焊接电弧光谱成分复杂，为防止其干扰提高成像质量可以采用滤光片等方法 接受特定波长的激光将干扰的电弧光隔离，这样采用激光作为辅助光源可以获得 清晰的图像。但是由于光学仪器的介入，使得实验过程变得复杂，装置的搭建以 及高速摄像照片中出现问题难以排查，试验考虑的因素增多。 第一章绪论 图l 一5 采用背景光源的高速摄像光路系统f 4 9 ，5 0 】 采用直接拍摄的高速摄像方法无需光学仪器，而直接将高速摄像机对准焊接 电弧进行拍摄，如图1 - 6 所示。采用直接拍摄方法简单易于操作，但是这种方法 对于摄像机的镜头选择要求较高，且无法对于焊接电弧中的杂光起到有效的过 滤。 图1 - 6 直接拍摄法 c c d 摄像机 从上述两种拍摄方法的介绍可以看出，采用背景光源与否得看具体情况来 定。但是随着高速摄像机的不断更新换代，无论是拍摄清晰度还是拍摄速度都将 进一步的提高，这将极大地有助于电弧特性的研究。 1 4 本文的研究内容 激光一电弧复合热源焊接是一种新型焊接方法，这种新型焊接方法既具备一 般电弧焊的高适应性特点，又具备激光作为焊接热源的大熔深、高速、低变形特 点，它是近几年迅速发展起来的优质高效焊接技术。 1 2 第一章绪论 国外已经将激光一电弧复合焊用于实际的生产加工之中，诸如航天、汽车、 船舶等领域，但是国内对于激光一电弧的相关研究仍然较少，而且主要是面向不 同工艺规范下，对焊接接头及性能的研究，涉及电弧物理特性方面的研究相对较 少。对于复合焊中激光与电弧的相互作用很少做过详细的研究。 针对国内高校及研究所鲜有对激光一脉冲m a g 的电弧进行研究，且没有整 合电流、电压波形与光谱信号、高速摄像作同步采集作为分析手段对激光一脉冲 m a g 焊接进行系统研究的状况下，本文在已建立的多信息同步采集系统的基础 上，对于激光一脉冲m a g 复合电弧进行研究。 本论文研究的主要内容包括以下几个方面： 1 构建复合焊接系统，包括同步采集系统( 含有焊接电流电压采集、高速摄 像、光谱信号) 。 2 设计试验方案，通过同步采集系统对不同空间点上、相同工艺参数的激光一 脉冲m a g 复合电弧及未复合脉冲m a g 电弧的焊接过程进行采集，以此来分 析比较激光一脉冲m a g 复合电弧与未复合脉冲m a g 电弧的不同。 3 基于获得的多种同步数据，对在相同工艺参数条件下，激光与电弧的耦合 机理进行初步研究。 1 3 第苹复合焊接系统及同步采集装置 第二章复合焊接系统及同步采集装置 2 , 1 复合焊接系统的构成 复合焊接系统主要是由焊接电源、激光器以及工件组成的焊接回蹄组成。 由于复合焊接是激光一脉冲m a g 焊接，因此焊接电源采胄j 的是奥地利 f r o n i u s 公司生产的t p s 5 0 0 0 全数字化微处理器监控的直流脉冲焊接逆变电 源。该电源能适用于多种焊接方法，最大焊接电流5 0 0 a ，对于一定材料和直径 的焊丝，焊接电流、电弧电压、送丝速度等焊接规范参数一元化调节工作模式 为脉冲，如图2 1 所示， 图2 1 f r o a i m 公司t p s 5 0 0 0 焊机 试验用激光器采用的是德国h a a s 公司生产的h 1 2 0 0 6 d 型微机控制的 额定功率2k w 的n d ：y a g 固体激光器输出波长为10 6 m 的连续波激光由内直 径为0 6m m 的光纤传输聚焦透镜焦距为2 0 0r a m 焦点直径为0 6m m ，如图2 - 2 所示。 第二章复合焊接系统及同步采集装置 图2 - 2h l 2 0 _ 0 6 d 型n dy a g 激光器 由上述焊接电源和激光器组成的复合焊接系统即能完成激光脉冲m a g 焊 接，且能保证焊接过程稳定。从而易于对焊接过程中稳定的电弧进行数据采集及 传输。 2 2 同步采集系统的构成 测试和分析是焊接生产和研究中最基本的工作。由于焊接过程具有参数多、 变化速度快和影响因素多等特点，因而如何准确全面地测试、分析焊接参数是研 究和控制焊接过程、确保焊接质量、提高焊接牛产科学管理水平重要环节。 目前电弧的高速摄像、光谱信息和电流电压信号艘形数据采集往往是分别进 行的，因此难以实现这类信息的同步分析，不利于分析研究的进行，主要原因包 括两个方面；一是电流电压信号、高速摄像和光谱信号性质不同，采集的方法也 不一样，使得同步采集各种信号难以实现，二是由于采集的信息量大，信息种类 不同，对于信息的分析提取也十分困难。 如果对于焊接过程的分析，光依靠电流电压等电信号往往很难彻底地解决问 题。为此，研究者多借助于高速摄像和高速摄影等手段进行辅助分析。但是这两 种测试方法往往是分别采样分析时也只能单独进行分析。实际上，电弧电信号 的变化与电弧中实际物理过程变化直接相关，把这两种信息甚至更多种信息融台 在。块，定能获得更为全面的数据信息。要实现这种信息的融台分析，首先必须 保证测量对象为同一时刻同一物体因此测试时，各种测试琐目要同时启动：其 次，在进行分析时，要把这些信息与采集时刻能够一一对应上。 目前这样的测试系统市场上尚无成品，因此，要求研究者自己进行开发。现 在电子技术和计算机技术发展已经是日新月异，已为这种设备的研究开发打下了 第二章复合焊接系统及同步采集装置 坚实基础。 2 2 1 硬件的构成 要进行实际的研究工作，就必须建立起这一方法所要求的试验数据的采集系 统。由于焊接电源脉冲频率高，加上焊接电弧体积小，组分和温度梯度人，电热 变化过程迅速。因此如何捕捉瞬态下电弧的形貌、工艺参数和光谱信号显得较为 日难，对同步采集系统的捂建提出了很高的要求。 整套同步采集系统有四大块构成，分别足电流电压检瓤4 模块，高速摄像系统、 光谱采集系统和计算机信息处理系统，整套同步采集系统与复合焊接系统的连接 圉如图2 3 所示。 电流电压检测模块：电流检测模块工作原理是将回路的导线直接穿过电流检 测模块中的霍尔元件，当焊接回路导通时+ 电流产生的磁通量聚集在磁路中并 由霍尔器件检测出霍尔电压信号。经过放大器放大，该电压信g 精确地反映出焊 接【旦| 路的电流大小；电压传感检测模块贝需将其两端连接到焊枪与t 件处直接测 量，再经过放_ 人器进行比例缩放所得的电压信号就能精确反映出焊接电弧的电 压大小。再将所得信号通过计算机处理就可毗实时显示焊接过程中电弧的电流、 电压瞬态值和平均值，并可以绘制电流、电压历史曲线。其采样频率为2 x 1 0 5 h z ，电流电压传感器如图2 _ 4 所示， 口巳 曲2 4 电挂电流传芯器 高速摄像系统：k o d a k 公司f a s t c a m s u p e r1 0 k c ，该仪器以面阵c c d 器 件的电扫描技术为核心，记录电弧形态，结果直接在监视器上显示，系统的分辨 率为5 1 2 4 8 0 象素，拍摄频率范围从3 0f p s ( 帧，秒) 到1 0 0 0 0 f p s ，高频率的拍摄 照片能够瞬时捕捉电弧的形貌特征通过图h 可以对某时问点卜的电弧进行分 析。高速摄像系统如图2 5 所示。 第二章复合焊接系统及同步采集装置 图2 3 复合焊接系统及同步采集系统连接示意图 1 7 第= 章复合焊接系统及同步采集装置 $ 1 2 - 5 高速摄像系统 焊接光谱信息采用如图2 6 所示的采集系统进行采集和分析，系统使用荷兰 a v a n t e s 公司的a v a s p e c 一2 0 4 8 光纤式数字光谱仪采集光谱信息+ 取通道光纤输入， 可以对2 0 01 1 0 0 皿波段范崩的光谱进行采集分辨率达03 衄，金属包装的y 字形光纤保证了光谱信号的精确采集：除可以实现光谱谱段的频域采集外还可 实现8 个特征谱段积分强度的同步采集，便于信号的融台和特征信号的提取。 图2 - 6 光谱仪 计算机信息处理系统：安装有研华数据采集卡p c i 1 7 1 6 的微型计算机负 责触发信号及采集数据，软件部分也集中在计算机内部研华数据采集卡如图2 7 所示。 第二章复合焊接系统及同步采嶷装嚣 2 2 2 软件的构成 图2 7 研华数据采集卡 由上述的硬件部分提供了试验装置，崮此软件部分就是实现电流电压、高速 摄像和光谱仪三者的同步采集的功能。这个时候，设备之间的匹配便是实现同步 的主要问题。 本焊接数据采集系统采用l a b v i e w 编程，在采集电压电流信息的