（机械电子工程专业论文）大功率盘型激光焊金属蒸气特征值分析.pdf

广东工业大学硕士学位论文 摘要 随着制造业的飞速发展，激光焊接以其高速、环保和高效的优越性，超越传统焊 接方式，在接合作业中受到广泛的应用。与传统激光器相比，大功率盘型激光焊在激 光束质量、加工效率和设备性能等方面均具有明显的优势。 对于大功率盘型激光焊，金属焊件表面在激光束辐射下强烈汽化并形成等离子体 状的金属蒸气羽状物。该金属蒸气羽状物可逆向激光束传输，对激光有明显的屏蔽作 用，降低激光辐射至焊件的能量密度，影响焊接效率和质量。因此研究金属蒸气特征 变化规律及其与焊接质量之间的关联，可实现由金属蒸气特征实时监测激光焊接状态。 以1 0 k w 大功率盘型连续激光焊接3 0 4 不锈钢钢板为试验对象，应用高速摄像机 摄取金属蒸气动态图像，将其转换至h s i ( h u e s a t u r a t i o n i n t e n s i t y ) 空间，提取金属蒸气 面积、激光束受影响路径长度等相关特征量，以焊缝熔宽的变化作为衡量焊接状态稳 定性的参数。通过金属蒸气特征值的均值统计和方差分析发现：金属蒸气面积反映激 光能量吸收效率，面积值越大，焊接质量越好，激光束路径长度反映激光能量削减程 度，路径长度越长，焊接质量越差。同时利用短时傅里叶变换获得金属蒸气面积参量 的时频信息，提取各个窗口内的时频特征量，并利用系统聚类法进行聚类分析。试验 结果表明，在特定的试验参数条件下，金属蒸气频率特征量聚类曲线的6 次方拟合曲 线与焊缝宽度6 次方拟合曲线波动一致，有效地反映熔宽变化趋势，激光束路径长度 频率特征量聚类曲线的6 次方拟合曲线与焊缝宽度6 次方拟合曲线波动相反。最后， 对金属蒸气与激光束路径比值进行分析，结果表明，对比值数据进行中值滤波后，设 定焊缝宽度和比值判定阈值，能实现焊缝质量实时监测。 关键词：大功率盘型激光焊接；激光致金属蒸气；时频分析；系统聚类；焊缝质量实 时监测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e ，t h el a s e rw e l d i n gb e c o m e w i d e l yu s e di nj o i n ti n d u s t r yf o ri t sr a p i d ，e n v i r o n m e n t a la n dh i g h e f f e c t i v e c o n t r a s tt ot h e t r a d i t i o n a ll a s e re q u i p m e n t ，t h eh i g hp o w e rd i s kl a s e rh a sd i s t i n c ta d x r a n t a g e sa tt h eb e a m q u a l i t y , p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , t h ew e i g h ta n d t h ev o l u m eo ft h ee q u i p m e n t d u r i n gh i g h - p o w e rd i s kl a s e rw e l d i n g ，t h es u r f a c eo ft h ew e l d m e n ti sg a s i f i e ds t r o n g l yb y t h el a s e ri r r a d i a t i o n m e a n w h i l e ，t h em e t a l l i cp l u m ei s g e n e r a t e da n dc h a n g e di n t ot h e p l a s m as t a t e t h i sp l u m ec a nt r a n s m i tt h r o u g ht h el a s e rb e a mr e v e r s e l ya n dh a sas i g n i f i c a n t s h i e l d i n ge f f e c to nt h el a s e rb e a m t h e r e f o r e ，t h el a s e rp o w e rw h i c hs h o u l db et r a n s f e r r e d i n s i d et h ew e l d m e n ti sd e c r e a s e d ，t h ew e l d i n ge f f i c i e n c ya n dw e l d i n gq u a l i t ya r es e r i o u s l y a f f e c t e d b ys t u d y i n ga n de x p l o r i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dv a r i a t i o n r u l e so fp l u m ea n dt h ew e l d i n gq u a l i 哪, t h es t a t eo fl a s e rw e l d i n gc o u l db em o n i t o r e di n r e a l t i m eb yt h ep l u m ec h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r ，t h eh i g h p o w e rd i s kl a s e rb e a do np l a t ew e l d i n go ft y p e3 0 4a u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lp l a t e sa tac o n t i n u o u sl a s e rp o w e ro f10k w , a ne x t r a v i o l e ta n dv i s i b l e s e n s i t i v eh i g hs p e e dc o l o rc a m e r aw a su s e dt oc a p t u r et h em e t a l l i cp l u m ed y n a m i ci m a g e s t h e s ed i g i t a li m a g e sw e r et r a n s f e r e dt ot h eh s i ( h u e - s a t u r a t i o n i n t e n s i t y ) c o l o rs p a c e sf r o m t h er g bc o l o rs p a c e s a l s o ，t h ea r e ao fm e t a l l i cp l u m ea n dt h ep a t hl e n g t hw h i c ht h el a s e r b e a mr u n st h r o u g ht h em e t a l l i cp l u m ew e r es e g m e n t e da n dd e f i n e da st h ep l u m ee i g e n v a l u e s t h ef l u c t u a t i o n so fw e l db e a dw i d t hw a su s e dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fw e l d i n g q u a l i t y b y a n a l y z i n gt h e s t a t i s t i c so ft h ev a r i a n c ea n dm e a nv a l u e so fp l u m ee i g e n v a l u e s ，t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v ec o n f i r m e dt h a tm e t a l l i cv a p o rc a nr e f l e c tt h el a s e r e n e r g y a b s o r p t i o nr a t e ，t h eb i g g e rm e t a l l i cp l u m ei st h eb e t t e rw e l d e dq u a l i t yi s ，a n dt h ep a t hl e n g t h c a nr e f l e c tt h ee n e r g yr e d u c t i o n ，t h el o n g e rp a t hl e n g t hi st h ew o r s ew e l d e dq u a l i t yi s a tt h e s a m et i m e ，t i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e rr e c o g n i t i o na n dh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n ga n a l y s i sw e r e u s e dt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e t a l l i cp l u m ea n dw e l d b e a dw i d t h t h es h o r t t i m e f o u r i e rt r a n s f o r mw a s a p p l i e dt oo b t a i nt h et i m e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fp l u m ei m a g e s ， i l 广东工业大学硕士学位论丈 a n dt h eh i e r a r c h i c a lc l u s t e rw a sa n a l y z e df o rt h ec h a r a c t e r i s t i c s w e l d i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ee x i s t e dar e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e t a l l i cp l u m ea n dw e l d i n g q u a l i t y , t h ef l u c t u a t i o nt r e n do f6 t hf i t t i n go fa r e ac l u s t e r i n gc u r v ew a ss i m i l a rt ot h e6 t h f i t t i n gc u r v eo fw e l ds e a mw i d t ha n dt h ef l u c t u a t i o nt r e n do f6 t hf i t t i n go fp a t hl e n g t h c l u s t e r i n gc u r v ew a so p p o s e dt ot h e6 t hf i t t i n gc u r v eo fw e l ds e a mw i d t h f i n a l l y , t h er a t i oo f t h em e t a l l i cp l u m ea r e aa n dp a t hl e n g t hw a sa n a l y z e d ，r e s u l ts h o w e dt h a tu s em e d i a nt of i l t e r t h er a t i od a t a ，i tc a na c h i e v er e a l - t i m em o n i t o r i n go fw e l dq u a l i t yb ys e t t i n gc e r t a i nt h r e s h o l d o ft h ew e l d e ds e a mw i d t ha n dr a t i od a t e k e y w o r d s ：h i g h - p o w e r d i s kl a s e rw e l d i n g ；m e t a l p l u m ei m a g eo fl a s e rw e l d i n g ； t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ；h i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n g ；w e l d e ds e a mq u a l i t yr e a l t i m em o n i t o r 广东工业大学硕士学位论文 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 o n t e n t s 1 1 7 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s 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 g p r i n c i p l e so fl a s e rw e l d i n g 2 1 2 2l a s e rm a c h i n e 5 1 2 3a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fl a s e rw e l d i n g 6 1 3c u r r e n ts i t u a t i o no fl a s e rw e l d i n gm e t a lv a p o r 7 1 ：；1d i f f e r e n tm e t h o d si ns t u d y i n gm e t a lv a p o r 7 1 3 2c u r r e n ts i t u a t i o nh o m ea n da b r o a d 10 1 4s i g n i f i c a n c ea n dm a j o rc o n t e n t s 12 1 4 1s i g n i f i c a n c e 12 1 4 2m a j o rc o n t e n t s 12 1 5s u m m a r y 1 3 c h a p t e r2e x p e r i m e n ts ) 7 s t e mo fh i g h - p o 、】7 e rd i s kl a s e r 。14 2 1s y s t e mo v e r v i e w 1 4 2 2e q u i p m e n ts t r u c t u r e 15 2 2 1h i g hp o w e rd i s kl a s e r 15 2 2 2l a s e rw e l d i n gm o d u l e 16 2 2 3i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m 17 2 3e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 19 2 4s u m m a r y 21 c h a p t e r 3f e a t u r ee x t r a c t i o no fm e t a lv a p o rc o l o r i m a g e s 2 2 ：；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 2 2 ：；1 1 r e p r e s e n t a t i o no f t h ed i g i t a li m a g e 2 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 2 4 3 2c o l o ri m a g ea n dc o l o rs p a c e 2 4 v i i c o n l e n t s 3 2 ic o l o ri m a g e ：! ! ； 3 2 2c o l o rs p a c e 2 5 3 3i m a g ep r e t r e a t m e n to f m e t a lv a p o r 31 3 3 1c o l o ri m a g es e g m e n t a t i o n 31 3 3 2c o l o ri m a g es e g m e n t a t i o nb a s eo nh s ic o l o rs p a c e 3 2 ：；4f e a t u r ee x t r a c t i o no f m e t a lv a p o r 3 6 ：；4 1a r e ae x t r a c t i o no f m e t a l p l u m e 3 6 ：；4 2l e n g t h p a t he x t r a c t i o no f l a s e rb e a m 3 8 3 5s u m m a r y 4 0 c h a p t e r 4a n a l y s ef e a t u r eo fm e t a lv a p o r 4 1 4 1s a m p l ed e s c r i p t i o na n dd a t ac o r r e l a t i o n 41 4 1 1s a m p l ed e s c r i p t i o n 4 2 4 1 2d a t ac o r r e l a t i o n 4 3 4 2w e l d e ds e a mw i d t he x t r a c t i o n 4 4 4 2 1t h ef r i s tw e l d e ds e a mw i d t h 4 4 4 2 2t h es e n c o n dw e l d e ds e a mw i d t h 4 6 4 3s a m p l ed e s c r i p t i o n 4 8 4 3 1s t a t i s t i c a la n a l y s i so f m e t a lv a p o ra r e a 4 8 4 3 2s t a t i s t i c a la n a l ) 7 s i so f l e n g t h - p a t h 5 0 4 4a u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i s 5 2 4 4 1a u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i so f m e t a lv a p o ra r e a 5 2 4 4 2a u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i so fl e n g t h - p a t h 5 4 4 5s u m m a r y 5 5 c h a p t e r5t i m e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sc l u s t e ra n a l y s i sa n da r e aa n dl e n g t h p a t h r a t i oa n a l y s i s 5 7 5 1s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s l a t i o n 。5 7 5 1 1o v e r v i e wo fs h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s l a t i o n 5 7 1 ；1 2b a s i cc o n c e p t 5 8 1 ；1 3w i n d o wf o u n c t i o n 5 9 5 2s y s t e mc l u s t e r i n gm e t h o d 6 3 v i i l 广东工业大学硕士学位论文 5 2 1b a s i cc o n c e p to fs y s t e mc l u s t e r i n gm e t h o d 6 4 5 2 2s i m i l a r i t ya n dd i s t a n c e 6 z l 5 2 3c o m m o n l yu s e dc l u s t e r i n gm e t h o d s 6 6 5 3t i m e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sc l u s t e ra n a l y s i s 6 8 5 3 1f e a t u r ee x t r a c t i o no f t i m e - f r e q u e n c y 6 8 5 3 2t i m e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sc l u s t e ra n a l ) 7 s i s 7 2 5 4a n a l y s i so fr a t i oo fm e t a lv a p o ra n dl a e rb e a ml e n g t h - p a t h 7 7 5 4 1r a t i oc o n t r a s tt ow e l d e ds e a mw i d t h 7 7 1 ；4 2w e l dq u a l i t yd e t e r m i n a t i o n 8 1 5 5s u m m a r y 8 3 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t s 8 5 r e f e r e n c e s 8 7 p u b l i c a t i o n 9 3 d e c l a r a t i o n 9 5 a c k n o n l e d g e m e n t 9 5 a p p e n d i x 9 6 一一 a p p e n d i x1m a t l a bp r o g r a mf o rh s ii m a g ep r e t r e a t m e n t 9 6 a p p e n d i x2s h o nt i m ef o u r i e rt r a n s l a t i o na n dc l u s t e r i n ga n a l ) 7 s i s 一9 7 i x 广东工业大学硕士学位论丈 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早三有t 匕 激光焊接足激光加工技术应用的重要组成部分，以聚焦激光束为能源，熔熔焊件 进行焊接，足2 1 世纪最受瞩目、最具有发展潜力的焊接技术之一。随着工业制造的发 展，激光焊接以其高能量密度、高性能和适应性强等特点正逐渐替代传统焊接技术， 在制造应用工业、电子工业、粉术冶金和生物工程等领域得到广泛的应用。 随着工业需求的增加，近几年来多种新型激光器陆续研究成功，如c o ，激光器、 y a g ( y t t r i u m a l u m i n u mg a r n e t ) 激光器和光纤激光器、盘形激光器等l l 。j 。其中大功率盘 形激光焊是当前最先进的激光焊接之一，以其高激光能量、高能量转换率、光束质量 优良等优点得到同益广泛的应用。 与传统焊接技术相比，大功率盘型激光焊接在焊接质量、效率、稳定性和自动化 等各方面都具有明显优势，使其成为加工制造领域的重要方式【4 蚓。然而在大功率激光 焊接过程中将产生金属蒸气，这种金属蒸气为弱电离等离子体，它的的粒子密度、温 度能够改变激光束的聚焦位置，并对入射激光能量的传输效率有很大的削减作用，直 接影响到焊缝的熔深、熔宽。为保证焊接质量，增大熔深、提高焊缝深宽比、改善焊 缝成形，深入研究激光焊接过程中金属蒸气与焊缝质量之间的相互关系，进而实现盘 型激光焊自动调节控制显得十分重要1 7 】。 针对大功率盘型激光焊焊接速度快、光束功率密度高和存在弱等离子体强烈金属 蒸气的特点 8 - 9 1 ，研究一种基于彩色图像空间的分析新方法，通过高速视觉传感器拍摄 的金属蒸气图像序列，获取金属蒸气面积大小，激光束路径长度，结合图像空域和时 域特性，分析激光焊接过程中熔池宽度与金属蒸气图像特征参数之间的内在规律，建 立金属蒸气与熔宽的理论模型，为大功率盘型激光焊接实现实时控制提供试验依据， 对于提高激光焊接产品质量具有重要理论和现实意义。 第一章绪论 1 2 激光焊接概述 1 2 1 激光焊接工作原理 与自然光相比，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性，其单色性比一般的光 1 1 1 源要高出1 0 6 1 0 7 倍以上。图1 1 所示为自然光和激光的波长与能量分布的关系卜1 。在 激光产生过程中，由于谐振腔对激光束的方向有选择作用，因此激光束发散角很小， 令其具有很好的方向性。而较好的方向性令激光传输集中，使得被照射的区域能量密 度显著提高，能够产生极高的温度。正是由于激光所具有的特殊性质，激光技术在工 业上得到广泛应用，其中激光焊接便是最典型的工业应用。 波长 图1 1 激光波长能量分布 f i g u r e1 - 1d i s t r i b u t i o no f l a s e rw a v e se n e r g y 激光是通过起正反馈作用的光学谐振腔产生，简称“光腔 通常由两个反射镜和 激活介质组成( 如c 0 2 混合气体、y a g 钇铝石榴石晶体等) ，其结构如图1 - 2 所示。“光 腔”保证了激光的单色性和方向性，并使光放大能在腔中稳定地震荡，最后耦合输出 激光束。 广s z r _ 业大学硕士学位论文 图1 - 2 激光谐振腔结构示意图 f i g u r e1 - 2s t r u c t u r eo fl a s e rr e s o n a t o r 镜 激光焊接便是利用激光束发射头将激光聚焦在工件表面，瞬间加热工件，熔化材 料进行焊接。其结构原理如图1 3 所示。由于激光的单色性、方向性、相干性，激光 束的能量能够汇聚在一个很小的点上，对于深熔焊，能量密度能够达到1 0 7 w c m 2 以上， 使照射点区域金属瞬间气化，在工件上形成- 4 , 匙孔。激光束进入匙孔内部，由于匙 孔的多重反射，激光束能量基本被全部吸收，最后通过匙孔内壁热传导的方式将能量 传递到金属内部形成熔池。 图1 - 3 激光焊接系统 f i g u r e1 - 3l a s e rw e l d i n gs y s t e m 控机 第一章绪论 激光焊接可分为热传导焊和深熔焊。 当激光功率较低时( 1 0 4 - 1 0 6 w c m 2 ) ，工件吸收的能量不足以使金属气化，只能使 材料表面逐渐熔化。此时金属的熔化是通过对激光辐射的吸收及热量传导进行的，这 种焊接称之为热导焊，如图1 4 所示。热导焊只在焊件表面形成熔化现象，工件内部 没有完全熔透，因此热导焊多用于低速薄壁材料的焊接。 图1 4 热导焊焊接模式 f i g u r e1 - 4m o d eo fh e a tc o n d u c t i o nw e l d i n g 当激光功率较高时( 1 0 7 w c m 2 ) ，材料表面强烈气化，形成金属蒸气和等离子的混 合羽状物。此时在气态金属蒸气产生的反作用力下，熔化的金属内部形成匙孔，激光 束的能量在匙孔内多重反射后被熔池完全吸收，进而实现深熔焊，如图1 5 所示。激 光深熔焊能焊透工件，速度快，是激光焊接中最常用的焊接模式。但在深熔焊接的过 程中产生金属蒸气会对入射激光产生一定的屏蔽作用，削弱工件光束表面能量，降低 焊接质量。目前可以通过激光摆动法、脉冲激光焊接法、低气压焊接和侧吹辅助气体 法减小金属蒸气对激光的干扰。 敫光求 图1 5 深熔焊焊接模式 f i g u r ei - 5m o d eo fd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g 4 广东工业大学硕士学位论文 1 2 2 激光器 激光器的基本组成是两块相互平行的镜片，镜片之间放置可以通过受激辐射将光 振荡放大的激活介质。光沿着光轴在镜片之间往复振荡、放大，最后输出激光束。根 掘激活介质的不同，激光器可大致分为三类： 1 ) c o ，气体激光器 二氧化碳激光器所使用的激光气体主要是氦气( h e ) ，同时也有部分c o ，气体、激 光活性介质和氮气州，) 。电极一般是镍制空心圆筒，谐振腔一段足镀金全反射镜，另一 端是锗或砷化镓麽带0 的部分反射镜，为激光输出端。激光束波长为1 0 6 微米，效 率为1o 15 。根据气体的流动方向，c o ，激光器可分为轴流式和横流式两种； 根据不同能量输入方式，激光器可分为直流( d c ) 激光器与射频( r f ) 激励激光 器。 c o ，激光器激光输出波段恰好是大气窗口，具有较大的功率和较高的能量转换率， 有着较丰富的谱线，因此在通讯、雷达和化学分析等方面都有着广泛应用。 2 ) n d ：y a g 固体激光器 固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔反射镜和电源等部分组成。 n d ：y a g 固体激光器中，是采用残油钕( n d ) 或钇( y b ) 金属离子的y a g 晶体作为激光激 活介质，主要通过光泵浦来发射激光。n d ：y a g 固体激光器激光波长为1 0 6 微米，通 过气体放电灯来激励时，效率仅为3 。激光活性物质钕d 3 + ) 位于钇一铝一石榴石组 成的固态晶体中，一般成棒状，当光束质量较高时，也可能成片状或碟状。n d ：y a g 固 体激光器通过光纤传输后可以用柬加工高反射率的材料。 3 ) 半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器。常用的材料有砷化镓 ( g a a s ) 、硫化镉( c d s ) 、磷化铟( i n p ) 、硫化锌( z n s ) 等。激励方式有电注入、电子束 激励和光泵浦三种形式，激光束波长分为8 0 8 n m ，9 4 0 n m ，9 8 0 n m 。半导体激光器件， 可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时 多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器工作时利用半导体物质在能带间跃迁发光，以半导体晶体的解理 面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈和产生光的 第一章绪论 辐射放大，输出激光。 半导体激光器激光器体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高。目前在 激光通信、激光打印、雷达和光陀螺等方面获得广泛的应用。 1 2 3 激光焊接的优缺点 激光焊接受到高度的重视，在汽车、造船、航空、冶金和机械制造领域得到广泛 应用，在于其特有的诸多优点【1 0 1 3 1 ： 1 ) 激光焊接可以获得高质量的焊缝和较大熔深比，焊接速度快。激光束聚焦在很小的 区域，热影响区金相变化范围小，热传导导致的变形最低。 2 ) 不需要使用电极，没有电极污染；不需要真空，也不需要做x 射线防护，可在封闭 空间工作。 3 ) 可以焊接不同物性的金属，不受磁场影响。 4 ) 通过切换装置，可将激光束传递至多个工作地点，通过电脑，可以实现远程控制， 自动化进行高速焊接。 当然，激光焊接也有许多不足之处【体1 6 】： 1 ) 设备昂贵，初期投资、维护成本比传统焊接工艺高，经济效益差。 2 ) 高能量激光束焊接时，产生的等离子对激光有折射、散射、吸收作用，降低工件能 量吸收，影响激光束聚焦，需另加辅助方法去除等离子体。 3 ) 激光焊接能量转化效率普遍较低，通常为1 0 。 4 ) 对焊件位置要求苛刻，必须在激光束的聚焦范围内，否则会产生较大的加工误差。 5 ) 焊缝快速凝固，有气孔和脆化的可能。 随着激光焊接的普及和应用，激光器的开发受到重视，近几年来激光设备的价格 明显下降。而大功率激光器的发展以及激光填丝、激光一电弧复合焊接方法的实际应 用，使激光焊的应用范围得到扩展，转化率低的缺点也得到有效改善。相信在不久的 将来，激光焊将逐渐发展为规范、环保、高效的焊接方法，并最终替代传统焊接工艺。 广东工业大学硕士学位论文 1 3 激光焊接金属蒸气研究现状 1 3 1 激光焊接金属蒸气研究方法 在大功率盘型激光焊焊接过程中，工件表面吸收能量后瞬间气化，在焊缝上方形 成金属蒸气，这种金属蒸气是弱电离等离子体。研究表明，金属蒸气混合物对激光束 有着折射、散射、吸收等作用，削弱了激光束传递至工件表面的能量，并改变了激光 束的聚焦位置，影响焊接质量。 金属蒸气产生过程中，伴随着很大波长范围内的电磁辐射( 紫外线、可见光和红 外波长) 、声波和等离子电荷等等【l 卜1 8 j 。产生的各种信号的空间分布如图1 - 6 所示。针 对金属蒸气及伴随其产生的信号，目前的研究方法有温度检测法、光谱分析法、高速 摄影法、麦克风信号分析法、光电管信号分析法以及等离子体电荷传感器( p c s ) 等。 图1 - 6 激光焊接过程中各种发射信号 f i g u r e1 - 6d i f f e r e n tl a s e rs i g n a ld u r i n gl a s e r i n gw e l d i n g 1 ) 光谱分析法 激光致金属蒸气，是由高温的中性原子、致密电子和离子所组成。它向外部辐射 第一章绪论 主要有热电子辐射、逆韧致辐射和光电子辐射。热电子辐射和逆韧致辐射产生连续光 谱；光电子辐射产生线光谱，可以通过测量谱线强度和频谱分布来检测分析当前的金 属蒸气状态【1 9 】。光谱分析法试验装置如图1 7 所示。 通过光谱仪，可以采集大量光谱信息，对所得数据，利用谱线相对强度计算法可 以获得金属蒸气离子密度、温度i7 1 ，进而探讨出金属蒸气光谱与焊缝质量间的关系。 图1 7 光谱分析法试验装置 f i g u r e1 - 7m o d eo fs p e c t r a la n a l ) 7 s i s 2 ) 高速摄影法 激光焊接过程中，最直观、最容易获取的信息便是金属蒸气视觉图像，因此在一 定波段内利用高速c c d 或者c m o s 视觉传感器及相应的滤光系统柬获取焊接过程的 金属蒸气图像，可以获得更加丰富直观信息。图1 8 给出了一个基于高速视觉传感系 统的研究试验系统。 图1 8 高速视觉传感检测方法 f i g u r e1 8t e s tm e t h o do f h i 曲s p e e dv i s i o ns e n s i n g 8 广东_ t - 业大学硕士学位论文 视觉传感系统获取图像后，将图像数据变换成灰度矩阵储存在计算机中。由于图 像获取过程中伴随各种随机干扰，因此需要对原始图像数据进行变换、增强、恢复等 预处理，然后可借助快速傅里叶变换( f f t ) 、小波变换、概率统计等工具对图像进行 分析、特征提取和模式识别【2 0 _ 2 2 1 。 3 ) 麦克风信号分析法 在不同的焊接情况下，由于金属蒸气的反冲击影响，工件会产生声发射信号。对 这种声发射信号的检测，最简单的方法就是在工件基座上安装声发射传感器获取声信 号【2 3