（材料加工工程专业论文）激光焊接等离子体同步高速摄影图像的三维重建.pdf

摘要 高功率激光焊接过程中的光致等离子体对激光束有屏蔽作用，等离子体降低 了焊接熔深、导致激光能量的浪费、影响焊接过程的稳定性、降低焊接质量，因 而对激光焊接等离子体进行深入的研究很有必要。 本研究采用三维同步高速摄影方法，观测了不锈钢激光深熔焊过程中的等离 子体形态，记录了激光焊接等离子体的三维亮度变化并以三维同步灰度图像为 基础，应用计算机图形学理论，对图像进行预处理、滤波、失真校正；组织的分 割和提取；复杂表面多项组织成分三维几何模型的构建；重建模型的表面网格简 化。 准确的分割与提取是保证重建模型准确的前提。本文采用种子生长算法，交 互选择种子亮度和容忍限获得准确的组织分割图像。最后采用加型代数重建算法 得到等离子体的三维图像。依据重建得出的激光焊接光致等离子体的三维图像， 指出了等离子体的结构特征：等离子体外表面并不平滑，而是呈现出坑洼不平的 形貌；在焊接过程中等离子体不但在不断的运动而且本身的体积也在发生着剧烈 的变化，而且等离子体在垂直焊缝方向的运动的剧烈程度大于平行于焊缝方向的 运动；等离子体内部可以分为三个区域：核心区，过渡区和外围区。核心区温度 最高，而且体积最小，在这个区域等离子体最致密，对外辐射最强。过渡区位于 核心区外围，是三个区域中最大的一个，这一部分基本保持连续，但也存在一些 空洞。而外围区位于等离子体的最外层，在很多时候呈分散状分布。对获得的等 离子体的体积进行分析，表明等离子体体积随着时间作类似周期性的变化。 关键词：三维重建，激光诱导等离子体，代数重建，高速摄影，激光焊接 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a s m ap r o d u c e di nl a s e rw e l d i n gp r o c e s sh a ss h i e l d i n ge f f e c tt ot h el a s e rb e a m i td e c r e a s e st h em e l t i n gd e p t ho ne v e nr e s u l ti nt h ed e f e c t ，w a s t e ss om u c hl a s e r e n e r g y , a f f e c t sw e l d i n gp r o c e s s i o na n dq u a l i t yd u et ot h ep l a s m a ，s oi ti se s p e c i a l l y n e c c s s a r yt os t u d yt h el a s e r - i n d u c e dp l a s m a t h ep l a s m as h a p ei nd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n gs t a i n l e s ss t e e li so b s e r v e d u s i n gah i g h s p e e ds y n c l l r o n o u ac a m e r as y s t e mw h i c h c a l lg e ta l li m a g ei n c l u d i n g t h r e ed i r e c t i o nv i e wo fp l a s m a , a n dt h ec h a n g eo ft h eb r i g h t n e s sa r er e c o r d e db y c a m e r a b a s e do nt h el a s e r - i n d u c e dp l a s m ag r a y - p i c t u r es h o o t e db yh i g h s p e e d c a m e r a ，w eu s et h et h e o r yo fc o m p u t e r i z e dg r a p h i c s ，t om a k et h er e s u l t t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t so f3 ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o ni n c l u d ei m a g ep r e p r o c e s s i n g ，s u c h a s f i l t e r i n g ，s e g m e n t i n ga n de x t r a c t i n gt h eb o d y ，c o n s t r u c t i n g3 d s u r f a c em o d e l s ， s i m p l i f y i n go f m e s h e so f t h em o d e l s a c c u r a t es e g m e n t i n ga n de x t r a c t i n gt i s s u e sf r o mp l a s m ai m a g e sa r ep r e m i s e so f 3 dr e c o n s t r u c t i o nm o d e l s i nt h i sp a p e r ，t h e r e g i o ng r o w i n g 。m e t h o do fi m a g e s s e g m e n t i n gi sp r e s e n t e d b yt h i sm e t h o d ，t h es e e d sa n dt h et o l e r a n c e sa r es e l e c t e d i n t e r a c t i v e l y , a n ds e g m e n t a t i o n sa r ea c h i e v e dp e r f e c t l y t h e3 ds o l i d sa r ea c h i e v e d w i t ha l g o r i t h mr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ( a r t ) b ya n a l y z i n gt h e3 dm o d e l ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ep l a s m ai si n d i c a t e d t h es u r f a c eo ft h el a s e r - i n d u c e dp l a s m ai s n o ts m o o t h , a n dt h e r ei ss o m eg r a n u l a t i o no nt h ep h o t o s p h e r eo ft h ep l a s m a t h e p l a s m ac h a n g sc o n t i n u o u s l ya n dt h ev o l u m eo ft h ep l a s m ac h a n g e sa c u t e l y t h e i n t e r i o ro ft h el a s e r - i n d u c e dp l a s m aa r ed e v i v e di n t ot h r e er e g i o n s t h e ya r et h e n u g g e tr e g i o n ，t h et r a n s i t i o nr e g i o na n dt h ep e r i p h e r yr e g i o n t h et e m p e r a t u r ei s t h e h i g h e s ti nt h en u g g e tr e g i o i l t h ev o l u m eo f t h i si st h es m a l l e s t ，a n dt h er a d i a t i o no f t h i si st h el a r g e s t t h eo u t s k i r to f t h en u g g e tr e g i o ni st h et r a n s i t i o nr e g i o n ，t h ev o l u m e o ft h et r a n s i t i o nr e g i o ni st h eb i g g e s t ，a n dt h e r ea r es o m eh o l l o wi nt h i sr e g i o n t h e i i r e g i o n o ft h ep e r i p h e r ys p r e a da r o u n d t h ev o l u m eo ft h e s ep l a s m a c h a n g e s e m i - p e r i o d i c a l l y k e y w o r d s ： 3 dr e c o n s t r u c t i o n ，l a s e r - i n d u c e dp l a s m a ，a r t ，h i g h - s p e e d c a m e r a ，l a s e rw e l d i n g i i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：率耀5 廷 指导教师签名 工妒7 和；月印日弘回年多月 f 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：鸳i j l i 也丑 工7 年。；月z 7 日 西北工业大学硕士学位论文 论文的主要创新与贡献 1 、采用最大熵( m e ) 算法利用两幅视图完成三维等离子体近似模型的重建，具有 速度快、需要数据少的特点； 2 、采用加型迭代重建算法编写了三维重建程序实现三视图的三维重建，对同步 照片三个方向分割采用种子生长算法实现； 3 、通过对加型迭代重建算法获得的等离子体模型进行分析，指出了等离子体的 结构特征及焊接过程中等离子体变化的初步规律。 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 激光是2 0 世纪最伟大的的发明之一，是与热核技术、半导体、电子计算机 和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就1 1 。从1 9 6 0 年5 月人类获得 第一束激光到现在，4 0 多年过去了，激光技术已逐渐渗透到国防、工农业生产 以及人们生活的各个方面。激光焊接也在航空，汽车，电子得到越来越广泛的应 用【2 1 。 1 2 激光技术在材料加工中的应用 激光加工技术在材料加工领域，以其独特的优越性，成为制造业的重要加工 手段，被誉为“2 1 世纪的加工技术”【3 】。正在热销的奥运吉祥物福娃就是采用了 激光切割技术实现自动剪裁，避免了复杂的手工制作工艺，不仅精确无误差，速 度还很快。 激光的空间控制性( 射束的方向变化、旋转、扫描等) 和时间控制性优异，特 别适合自动化加工【4 】。激光加工系统特别适合采用计算机控制，它与计算机数控 技术相结合，可构成自动化加工设备，为优质、高效、低成本的加工开辟了广阔 的前景。目前的激光加工技术包括：激光切割、激光焊接、激光打孔、激光打标、 激光快速成形、激光去重平衡、激光蚀刻、激光微调、激光存储、激光划线、激 光清洗、激光热处理和表面处理等。 激光切割是激光加工行业中非常重要的一项应用技术，它占整个激光加工业 的7 0 以上。激光切割一般是应用在薄板材料的切割，例如开关板、仪表板， 电梯的控制板、汽车车身覆盖件、大型电机的定子硅钢片、木模板以及各种非金 属材料【5 】。 美国福特和通用汽车公司、德国大众汽车公司以及日本日产、丰田等汽车公 司，在汽车组装生产线上采用激光切割技术。它不必准备各种规格的金属模具， 而是在组装生产线中用激光切割来加工因规格不同要更改的零件安装孔位置，如 汽车标志灯、车架、车身两侧装饰线等。这种技术能按不同规格在最小的基本面 板内进行，因此能减少金属模具、降低生产成本，效果很好【3 】。 l 西北工业大学硕士学位论文 目前激光切割在各类不锈钢工件切割中的应用日趋时尚，其加工数量上升幅 度大，并有逐步普及之势。我国机械制造工业采用并推广激光切割技术的潜力也 很大。按通常国内外激光切割行业采用最普遍、输出功率为2 k w 的c 0 2 激光器 的能力，目前可切割金属材料的最大厚度，对普碳钢约为1 2 r a m ，不锈钢不超过 8 m m 【6 】。 激光焊接从焊接机制可分为传导焊和深熔焊。一般来讲，前者用于微加工领 域 7 1 ；而后者用于机械制造业，在机械制造中主要是对钣金件或轴、套类进行焊 接；异种金属的焊接方面激光也显示出其自身的优势【8 】o 目前，激光焊接除用于电子电气工业、机械制造业外，在汽车工业的应用前 景也十分广阔。激光焊接技术在汽车工业中的应用主要在两个方面： ( 1 ) 焊接传动件。在汽车传动系统中，7 0 的零件可用激光焊接，由此不 但可节省大量合金材料，还能提高零件使用寿命。 ( 2 ) 焊接组合件。两件或更多的分散平板工件，通过焊接连成整体、并经冲 压成形的部件就称之为焊接组合件，这些分散工件根据需要具有不同厚度或不同 成分、性能甚至表面涂层。焊接组合件可节省材料，提高部件性能和减少工件数 量，从而减轻车体重量，提高整车性能。例如广州本田雅阁汽车车门内板就是采 用o 7 m m 和1 4 m m 焊后再进行冲压成形的：这样，每扇门重是原来重量的6 0 【9 】。 在上海大众帕萨特领驭的车身制造中，应用了车顶激光焊和后盖激光钎焊技 术。激光焊工艺具有减轻车身重量、增加车身刚性等优点【l o l 。 激光打孔是一种最早达到实用化的激光材料加工技术。激光打孔技术具有精 度高、通用性强、效率高、成本低和经济效益显著等优点，已成为现代制造领域 的关键技术之一。目前，工业发达国家已将激光深微孔技术大规模地应用到飞机 制造业、食品加工业、医药制造业等行业。2 0 世纪9 0 年代，激光打孔朝着多样 化、高速度、孔径更微小的方向发展。例如，在飞机机翼上打上5 万个直径为 0 0 6 4 m m 的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节油4 0 的效果。我 国在2 0 世纪6 0 年代就开始在钟表行业中使用激光加工，对宝石轴承进行激光打 孔，现累计产值已达2 2 亿元【9 j 。在电子元器件生产中广泛用于陶瓷基片和印制 电路板的打孔。例如c o h e r e n tl a s e r 公司的c 0 2 打孔机，可在陶瓷基片上打直径 小于2 0 0 a c n 的孔，生产速率达5 0 0 - - - 1 0 0 0 个孔s ；用四倍频n d ：y a g 激光器 可在聚氟类塑料基片上高速打出t d 2 5 p m 的孔，2 6 6 p m 波长激光对孔周边材料的 热影响比长波长的小得多。日本丰桥技术科学大学成功完成了晶体玻璃三维激光 打孔实验，此技术可用于实现只对加工孔的尖端部进行加工的三维打孔技术【3 l 。 2 第一章绪论 激光打标技术是激光在材料加工中的最大的应用领域之一l l “。它利用高能量 密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应， 从而留下永久性标记。激光几乎可以在所有的材料上打标。激光打标被广泛地应 用在量具、刃具及轴承等金属制品上。如在游标卡尺上形成刻度和标记，在轴承、 刃具上打标。在坚硬的晶体上用激光打印标记，对晶体性能毫无影响，刻字质量 大为提高。在陶瓷、玻璃、大理石等非金属材料上也可方便地进行激光打标。使 用平均功率1 5 0 2 5 0 w 的y a g 激光系统所打的标记在喷漆或涂上润滑油后仍能 清楚辩认。 1 3 激光设备与激光焊接 1 3 1 激光设备 用于材料加工的激光器主要有c 0 2 激光器、y a g 激光器和准分子激光器。 波长为1 0 6 e n 的y a g 激光器由于波长短、金属表面的反射率低，故适用于金属 材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。此外在不需很高功率的半导体制造领 域也有广阔的应用前景，如打标、微调、掩模修整、刻划和切割等。 输出功率为l 1 0 k w 的产品在国外己实现商品化，该种激光器在汽车制造 业中得到了广泛应用，并不断地扩展到重型机械领域。出于对环保的考虑，汽车 等运输类机械也在追求轻量化，因而越来越多地采用铝合金，采用激光焊接铝合 金是一种最有效的手段。 c 0 2 激光器在日本的最大应用领域是切割和打孔，这类用途占7 0 以上。 c 0 2 激光器虽然在金属表面的反射率高，但由于其功率输出高、光束质量好，因 而得到了广泛应用。市售的2 0 4 5 k w 的大功率激光器现已用于桥梁、造船、建 筑机械和原子技术等领域。该种激光器可切割厚度达3 0 m m 以上的钢板。 准分子激光器是以卤素气体与稀有气体混合物为工作介质的激光器，包括 x e f ( 3 5 1 n m ，3 5 e v ) 、x e c l ( 3 0 8 n m ，4 0 e v ) 、k r f ( 2 4 8 n m ，5 0 e v ) 、a r f ( 1 9 3 n m ，6 4 e v ) 和v 2 0 5 7 n m ，7 9 e v ) 等。目前用于加工的准分子激光器以x e c i 和k r f 为主。在 步进重复光刻机中用k r f 激光器作光源，4 0 的准分子激光加工机用于步进重复 光刻，5 5 用于一般微细加工，其余则用于薄膜晶体管的退火。 准分子激光器由于波长短、光子能量大，并且脉冲宽度可达纳秒量级，材料 被其照射后可瞬间蒸发，因此可实现刻蚀加工。这种加工几乎没有热影响层，又 无熔融残留物，因此多用于喷墨打印机的喷嘴等加工，亦可用于硅片【1 2 】、美术品 3 西北工业大学硕士学位论文 的清洗。 1 3 2 激光焊接的原理和优点 激光最基本的特点就是：单色性强、方向性好、相干性好、亮度高。这些独 特性质加上超短脉冲等性质使它非常适合焊接加工1 1 3 i 。按产生激光的工作物质不 同来分类，激光器主要有半导体( g a a s ，i n p 等) 激光器、固体( n d ：y a g 等) 激光 器、气体( c 0 2 、h r n e 等) 激光器、液体( 可调谐染料等) 激光器、化学激光器、 自由电子激光器等。目前广泛应用的是两大类：一类是气体激光器，气体激光器 以气体或金属蒸汽作为工作介质，产生平均为1 0 6 删的红外激光，可以连续工 作并输出很高的功率，标准激光功率在2 5 k w 之间。气体激光器是目前种类最 多、激励方式最多样化，激光波长分布区域最宽，容易实现大功率连续输出以及 应用最广泛的一类激光器。另一类是固体激光器，将产生激光的粒子掺于固体基 质，其浓度比气体大，因而可以获得比较大的激光能量输出。具有能量大、峰值 功率高、结构紧凑、牢固耐用等特点，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用 于焊接精度要求比较高的工件。激光焊接技术在制造领域的应用稳步增长，由脉 冲到连续，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由简单焊缝到复杂形状焊缝，激 光焊接在不断的演化过程中已经逐步成为一种日益重要的现代加工工艺技术。激 光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接，在连续焊接中又可分为热传导焊接和 深穿透焊接。随着激光输出功率的提高，特别是高功率c 0 2 激光器的出现，激 光深穿透技术在国内外都得到了迅速发展，最大的焊接深宽比已经达到了2 0 ：l ， 激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料， 激光焊接速度已达到了每分钟几十米。激光焊接技术日益成熟，并大量应用到生 产线上，在汽车生产线上如齿轮焊接、汽车底板及结构件( 包括车门车身) 的高速 拼焊中己取得巨大的经济效益和社会效益【i 引。 激光焊接是采用高能激光束使材料熔融连接，形成优良焊接接头的工艺过程 1 5 1 。激光焊接可以分为以下两类： 1 、热传导焊接 当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能 转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递， 最后将两焊件熔接在一起。 2 、激光深熔焊接 当功率密度 1 0 5 w c m 2 的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为 4 第一章绪论 热能，材料被加热熔化直至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽压力和反作用力 下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入 更深形成小孔，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件 焊接在起。 这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各 焊接工艺参数来实现不同的需要。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表面 保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。热传导焊对系统的扰动较小，因为 激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中气体不易侵入；而深熔 焊时，小孔的不断关闭可能会导致气孔【1 6 】。热传导焊和深熔焊方式也可以在同一 焊接过程中相互转换，由热传导焊方式向深熔焊方式的转变取决于旖加于工件的 峰值激光功率密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使 激光焊接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相 互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。 激光焊接的优点： 1 ) 和传统焊接方法相比，激光焊接的速度很快，最快可以达到2 0 m r a i n 。 2 ) 激光束能量集中、速度快，因此焊接变形很小。 3 ) 激光焊接不仅能提高材料的抗疲劳性、抗冲击性以及抗腐蚀性能，而且也 使构件的密封性有极大的提高。 4 ) 由于激光焊接是非接触式焊接，因此，在产品更换时，只需更改夹具，重 新编程就可以，非常适合柔性化生产【l ”。 1 3 3 激光焊接的工艺参数 ( 1 ) 功率密度 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时 间范围内，表层即可加热至沸点，汽化。对于较低功率密度，表层温度达到沸点 需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此， 在传导型激光焊接中，功率密度范围在1 0 4 1 0 6 w t i n 。 ( 2 ) 激光脉冲波形 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。 当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6 0 9 0 的激光能量反射而 损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的 5 西北工业大学硕士学位论文 变化很大。 ( 3 ) 激光脉冲宽度 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的 重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 ( 4 ) 离焦量 激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过 高，容易蒸发。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有 两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按照几 何光学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上 所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有 关。实验表明，激光加热5 0 2 0 0 脚材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽 化，形成高压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度 汽体把液相金属运至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功 率密度比表面还高，易形成更强的熔化、气化，使光能向材料更深处传递。所以 在实际应用时，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦u “。 1 4 激光焊接中的光致等离子体及等离子体的检测手段 物质的第四种状态等离子体这一存在形式，是由大量带电粒子( 离子、 电子) 和中性粒子( 原子、分子) 组成的系统，因其总的正、负电荷数相等，该物系 在宏观上一般是电中性的，故称为等离子体。 在自然界中9 9 的物质是以等离子体状态存在的。地球就是被一弱电离的 等离子体( 即电离层) 所包围，闪电、极光等是地球上的天然等离子体的辐射现 象。天然的等离子体在地球上虽不多见，但在地球以外的宇宙问却是物质存在的 主要形式，它占宇宙间物质总量的绝大部分。太阳及其他恒星、太阳风、很多种 星际物质，都是等离子体，如太阳就是一个氢等离子体球。电弧、日光灯中发光 的电离气体，以及实验室中的高温电离气体等是人造的等离子体i l ”。 等离子体与物质的固、液、气三态相比，在组成和性质上均有本质的区别， 即使与气态间也有明显的差异：首先，气体通常是不导电的，而等离子体则是在 整体上保持电中性而又能导电的流体；其次，气体分子间不存在电磁力，而等离 子体粒子间存在长程的电磁力，每个粒子都同时和周围的许多粒子发生作用，导 致等离子体在运动过程中表现出明显的集体行为。并不是任何电离气体都是等离 6 第一苹绪论 子体，只有当电离度大到这种程度：使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以 限制其自身运动时，系统才转变成等离子体。 等离子体按温度高低可以分为【1 6 1 ： ( 1 )低温等离子体温度为室温到3 1 0 4 k 左右，在此范围内还可按 离子温度的高低分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体的重粒子温度 约为3 x 1 0 4 k ，基本处于热平衡状态；冷等离子体的重粒子温度较低( 可 低于室温) ，而电子温度为1 0 足左右，是远离热平衡状态。 ( 2 )高温等离子体温度为1 0 6 1 0 。足，例如受控热核聚交条件下的 氘氚气体就属于此类等离子体。 等离子体按粒子数密度的大小可分为： ( 1 )稠密等离子体( 或高压等离子体) 当粒子数密度达到 1 0 ”一1 0 ”个c m 3 ，称为稠密等离子体，此时粒子间的相互碰撞起主要作 用。 ( 2 )稀薄等离子体( 或低压等离子体) 当粒子数密度小于l o ”个c m 3j 称为稀薄等离子体，此时粒子间的相互碰撞基本不起作用。 1 4 1 等离子体的集体相互作用 等离子体的集体相互作用是指大量带电粒子在自己产生的电场中运动的行 为，也就是等离子体内的各种波动过程1 1 9 1 。 集体相互作用中，最基本的是l a n g m u i r 波，称为l a n g m u i r 振荡或者静电波。 如果等离子体中某个区域的电子偏离了此处的电荷平衡位置，该区域正电荷过 剩，则通过静电作用外部电子会涌进来，甚至造成当地的负电荷过剩，外部出现 正电荷区，电子又向外运动，如此往复形成静电波。它是一种静电振荡，即等离 子体中各局部区域正、负电荷交替过剩的周期性过程，在等离子体中带电粒子的 热运动影响下发展成波，是电场振动方向跟传播方向一致的纵波。l a n g m u i r 波 也有其频率和波数，它们之间的色散关系为： 卜磅一k 爵2 一o m d 2 一七2 曙2 一k 2 。 ” 其中k 是静电波的波数，( - 0 为等离子体的角频率，。和国。分别是电子和离子的 等离子体频率，( 1 9 p = p 2 札蠢m 。，( 1 3 = e e z 2 f 店o m ，。圪与分别是电子和离 子的平均运动速度。m 、m 和m 。、m ，分别是电子和离子的粒子数密度及质量， 7 西北工业大学硕士学位论文 e 是电子电荷，z 是平均电离电荷，氏是真空介电常数。静电波有两种极端情况： ( 1 ) 电子l a n g m u i r 波这是高频电子波。此时离子作用很小，以至于近似有 脚2 * 国乙+ 七2 曙，从而可知功。，即电子l a n g m u i r 波的频率大于电子 的等离子体频率国。； ( 2 ) 离子l a n g m u i r 波这是低频静电波。此时主要是离子作惯性振荡，电子质 量很小，其惯性忽略不计。因此在热压力梯度的作用下，离子带着电子在 其平衡位置上振荡。这种低频静电波又可分为低频长波和低频短波两类。 波长五 厶的称为长波，这里德拜长度 如= 白吃瓦札p 2 ，屯s o t , 分别是波耳兹曼常数和电子温度。低频短波 一般称为离子l a n g m u i r 波，而低频长波由于其速度和气体中声波的表达 式一样，所以又称为离子声波。这样，当不存在大尺度慢变强磁场时，等 离子体波就简单地是l a n g m u i r 波和离子声波，激光的光致等离子体就是 这种波。 1 4 2 等离子体对激光焊接的影响 高功率激光照射到靶材上使部分靶材介质转变为等离子体状态的主要机制 是： ( 1 ) 光电离原子中的电子受到激光照射时，由于光电效应或多光子 吸收足够的光子能量而发生电离； ( 2 )热电离高温下热运动速度很大的原子相互碰撞，使其电子处于 激发态，其中一部分电子的能量超过电离势而使电子发生电离； ( 3 ) 碰撞电离气体中带电粒子在电场作用下加速并与中性原子碰 撞，发生能量交换，使原子中的电子获得足够能量而发生电离。 激光焊接时产生的等离子体属于低温等离子体范围。其电子与离子( 或粒子) 的温度趋于一致，整个等离子体处于局部热力学平衡状态。从空间位置和等离子 体的强弱来看，在不同的激光功率密度条件下，又可以将激光等离子体分为三 类： ( 1 ) 当激光功率密度较小( 1 0 6 w e m 2 ) ，产生的等离子体是稀疏的，它依 附于工件表面，对于激光束是近似透明的。 ( 2 ) 当激光束功率密度处于1 0 6 l o7 w e r a 2 范围时，等离子体明显增强， 表现出对激光束的吸收、反射和折射作用。这种情况下等离子体向工件上方和周 围扩展较强，在工件上方形成稳定的近似球形的云团【冽，如图1 1 所示 8 第一章绪论 图1 - 1 较强等离子体空间分布示意图 ( 3 ) 当功率密度进一步提高达到1 0 7 肜佣2 以上时，等离子体强度和空间 位置呈周期性变化口“，如图1 - 2 所示： 丝丛丝 ( a ) 弱等离子体阶段( b ) 较强等离子体阶段( c ) 激光屏蔽阶段( d ) 焊接停止阶段 图l - 2 强等离子体空间分布示意图 a 激光作用于工件表面初期，工件金属蒸发量小，熔深浅，等离子体较弱， 依附于工件表面，见图1 2 ( a ) ； b 强激光束继续辐照工件，使金属大量蒸发、气化，迅速形成焊接小孔，随 熔深的增加形成较强等离子云团，见图1 2 ( b ) ； c 这些等离子体继续受强光束照射，温度继续升高，原子大量电离，自由电 子密度和温度增强，等离子体对激光的吸收、反射和折射作用强烈，以至于能够 穿过等离子云团而到达工件的激光能量大大减少，焊接小孔内金属蒸发量减少， 因此等离子体逐渐向上运动，离开工件表面而悬浮于工件上方一定距离，见图 1 - 3 ( c ) ； d 焊接小孔缩小，等离子体温度逐渐下降，悬浮的等离子体云逐渐消失，从 而又有足够的激光能量到达工件表面，又重新开始正常的焊接过程，见图1 2 ( d ) 。 由于第( 1 ) 种情况对激光焊接没有太大的影响，属于传统的热导焊，所以目 前国内外学者主要把第( 2 ) ，0 ) 类情况的等离子体作为研究的重点。 9 西北工业大学硕士学位论文 、 等离子体对激光的影响有三种机制： ( 1 ) 等离子体对激光的吸收 等离子体并不是一种完全透明的介质，当激光在等离子体中传播时，部分能 量将被等离子体吸收，激光强度逐渐减弱。根据等离子体物理理论，等离子体对 激光吸收的基本机理是逆韧致辐射吸收，即光子电子相互作用。逆韧致辐射 线性吸收系数j 乙为【捌： = ( 1 - 2 ) 式中，v i 为离子密度，为电子密度，z 为离子价数，c 为光速，岛为介电常数， 为玻尔兹曼常数，乙为等离子体温度，吼为入射激光角频率，m ，为等离 子体电子振荡角频率，l n a 为库仑对数。c 0 2 激光焊接时光致等离子体e p 通常 只含一价离子，即z = 1 ，n 。= r l ，。而等离子体电子振荡频率为缈。： d2 2 。= 二2 l( 1 3 ) 1 o m e 式中，e 为电子电荷，m 。为电子质量。所以，可以通过实验测得等离子体的电子 温度和密度，来计算c o ，激光焊接时光致等离子体的平均线性吸收系数，即激 光通过单位长度等离子体时能量损失百分比口3 1 。 等离子体对激光的吸收不仅影响激光的传输效率而且还会产生等离子体的 附加热源效应，等离子体吸收入射激光，自身温度上升，然后通过辐射的方式将 能量传递给工件使得焊接的热影响r 叉( h a z ) 扩大、影响焊缝宽度1 2 4 1 。 ( 2 ) 等离子体对激光的散射 等离子体具有致密的电子层，对激光具有散射作用，等离子体对激光散射很 弱而且机理分析比较复杂，一般认为散射是由于等离子体形成时金属蒸汽原子 凝聚后形成的超细微粒子所致，粒子的平均尺寸远低于入射激光的波长。散射损 失反比例于波长的四次方，激光波长越短，散射损失越多。 ( 3 ) 等离子体对激光的折射 光致等离子体除了对入射激光吸收和散射之外，还会对激光产生折射，引起 入射激光束聚焦形态的变化。如果忽略等离子体中带电粒子的碰撞影响，等离子 体的折射率可表示为： 甩：1 一生 吼 1 0 ( 1 - 4 ) 第一章绪论 式中，。是等离子体的电子振荡角频率，矗，：是入射激光束的角频率 由于激光深熔焊接光致等离子体的电子振荡频率。小于入射激光束的角 频率，因此，光致等离子体的折射率总是实数、且恒小于1 ，即光致等离子 体是一个光疏介质。由( 1 4 ) 式可得等离子体的折射率与等离子体电子振荡角频率 有关，而由( 1 - 3 ) 式知等离子体电子振荡频率是电子密度的函数。由于光致等离子 体中存在很大的电子密度梯度，电子密度的差异导致折射率的变化。当入射激光 穿过等离子体时，将引起激光束的传播方向改变，其偏转角吼与等离子体的电 子密度梯度( 即折射率梯度) 和等离子体长度工。有关，并可表示为： ， h ， 口- 二! = ln 5 1 4 知。r 。 。 式中，r ，是等离子体半径。因此，当激光束穿过等离子体时，由于折射作用使 得激光聚焦斑点扩大，焦点向下移动，如图1 - 3 所示，即等离子体实际上相当于 一个负透镜。正是由于等离子体的这种负透镜效应使得激光束聚焦状态发生改 变，扩大了激光能量在工件上的作用区，影响焊缝成型。 图1 - 3 等离子体对激光的折射模型 从上可知，高功率激光焊接光致等离子体对入射激光具有屏蔽作用，影响正 常焊接过程：等离子体的吸收和散射影响了激光的传输效率，降低了到达工件上 的激光能量。而等离子体的负透镜效应扩大了激光能量在工件上的作用区。当等 离子体达到一定程度时，使得作用于工件上的激光功率密度大幅度降低，且等离 子体的折射影响强于等离子体的吸收和散射。因此在高功率激光焊接过程中，对 光致等离子体的控制非常必要【删。 1 4 3 等离子体的检测手段 焊接过程中出现的各种可利用的检测信号如图1 - 4 。 1 1 西北工业大学硕士学位论文 工件l 焊缝 图1 - 4 激光等离子体监测系统 ( 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 出的从紫外线到红外线的光辐射。 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，而当小孔消失时，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映工件对激光的吸收状态，可以用 于监测焊接过程。但是这种方法会影响整个光学系统的稳定性，并且可能会干扰 焊接过程的进行，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气进一步吸收能量而被 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，蒸气的多少和密度影响着蒸气对激光的吸收，从而决定了材 料电离形成的等离子体的情况。等离子体一激光一材料相互作用，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映了焊接过程中质量的波动，通 过对等离子体的检测可实现对焊接过程的实时检测。 另外一种利用光信号检测焊接过程的方法是高速摄影。利用高速摄影机对焊 接过程中的小孔、等离子体和熔池进行实时拍照，然后通过图像处理技术提取特 征参数，进行过程的实时检测。这种检测方法直接对小孔进行检测，其检测信号 1 2 第一章绪论 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。 ( 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气压力的作用下，从小孔或工件表面向喷嘴方向运 动的。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。通过测量工件与焊接喷嘴之间的电位差，可以来判断等离子体的状态，实 现间接地对焊接过程的实时检测。其原理见图1 5 但是这种检测方法受工件和喷嘴之间的距离的影响很大，只能作为过程的检 测，不能用来作为焦点位置的自适应控制。 激光柬 图1 - 5 激光焊接过程中电信号的检测 ( 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于 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、散射的吸收 情况在不断变化，等离子体向外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，信号微弱而且复杂，可 以采用接触式电传感器来测量，但对信号的分析需要很多的滤波和信号调制器。 另一种信号是可听的声信号。在激光深熔焊接模式下，等离子体从小孔中喷 射出来的压力波动会发出一种可听得到的声音。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 1 3 西北工业大学硕士学位论文 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。 ( 4 ) 热信号 从熔池和热影响区发出的红外线信号是一种热信号，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线辐射传感器来检测。但是， 高温等离子云覆盖在小孔( 熔池) 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检测信号。而从热影响 区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，它有很大的温度梯度，系统的检测误差较大，所以这种检测方法可靠性较 低。 1 5 激光焊接光致等离子体的研究现状 由于激光等离子体对激光的吸收、散射和焊缝形态的影响是如此之大，为此 人们进行大量的关于等离子体行为的研究，以期获得抑制等离子体的不利影响的 方法。 国外研究了非对称情况下光致等离子体光谱的三维重建【2 7 1 ；并且最近有学者 根据入射激光被等离子体的吸收，提出了一个预测熔池几何形状的分析模型【2 3 l 。 国内对激光焊接等离子体的研究比较有影响的是华中理工大学激光加工国 家工程研究中心和北京工业大学国家产学研激光技术中心。 文献【2 6 l 利用高速摄像及光信号监测两种手段对等离子体的动态变化过程及 其对焊接稳定性的影响进行了深入的研究，提出了等离子体的变化每个周期内分 为四个阶段：材料蒸发阶段；等离子体激增阶段；等离子体爆炸分离 阶段；分离后的等离子体团逐渐消散阶段；而影响焊接稳定性的根本原因是 等离子体在穿透与未穿透之间的波动。 西安交通大学对侧吹辅助气流对激光焊接光致等离子体的影响及其机理进 行了研究【2 9 】，利用c c d 高速摄影研究了不同侧吹条件下激光深熔焊接过程中光 致等离子体形态的变化，建立了模拟激光深熔焊接过程气体流场的二维可压缩模 型，计算了侧吹喷嘴高度和侧吹流速的变化对激光焊接光致等离子体的影响。认 为侧吹喷嘴高度和侧吹流速的变化对光致等离子体行为和焊缝形貌有显著的影 响；侧吹气体的冷却作用及其对向上喷射的炽热等离子体云团的“压制”作用是 侧吹气体能够有效抑制光致等离子体的重要原因。 我校从八十年代初就开始从事激光焊接的相关研究，并在八五、九五期间致 力于激光焊接等离子体的理论及控制研究，主要成果如下【3 0 l ： 1 4 第一覃绪论 ( 1 ) 、系统开展多种材料的激光焊接研究，总结了一批焊接工艺参数并投入 军、民品的生产； ( 2 ) 、首次明确提出等离子体对激光传输的影响取决于等离子体的电子密度 和折射率； ( 3 ) 、提出了增加激光焊缝熔深的一种新方法一外加磁场法，同时发现磁 场对焊缝组织也有较大的影响； ( 4 ) 、开展了激光焊接等离子体图像三维重建的研究。 1 6 三维重建及软件介绍 1 6 1 图像重建的介绍 图像处理的一个重要研究分支是物体图像的重建，它被广泛应用在检测和观 察中，而这种重建方法一般是根据物体的一些横截面部分的投影而进行的。在一 些应用中，某个物体内部的结构图像的检测只能通过这种重建才不会有任何物理 上的损伤。由于这种