（材料加工工程专业论文）基于光谱信息的激光—mag复合电弧特性研究.pdf

中文摘要 激光一电弧复合热源焊接综合了激光与电弧的优点，在焊接大厚钢板和铝合 金等难焊金属方面具有独到的优势，在汽车、船舶、航空航天器制造等领域展现 出了广阔的应用前景。到目前为止，关于激光一电弧复合热源焊接的研究主要集 中在应用方面，而涉及到电弧特性及过程稳定性等基础理论，仍有许多问题亟待 解决。 研究焊接电弧的特性，对稳定焊接过程、改进工艺方法和改善焊接质量具有 非常重要的意义，而电弧光谱含有丰富的反映电弧特性的信息。与现有其他检测 方法相比，光谱技术具有信息丰富、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等一 系列独特的优点。基于以上分析，确定了利用光谱信息技术来研究激光一m a g 复合焊接电弧的特性。 本文通过扫描焊接电弧空间不同层面位置获得电弧光谱信息的原始数据，然 后运用积分的方法计算出光谱信息在电弧空间的分布特征。对比m a g 焊与复合 焊电弧光谱信息的频域和空间分布特征，得到如下结果：二者的光谱信息都是在 连续辐射的背景上存在大量的线状谱；激光的加入改变了电弧的能量分布状态， 在电弧中心位置形成一个梯度较大的辐射增强区，从而增加了焊缝的熔透深度； 同时，由于激光与电弧的相互协调作用，焊接能量集中位置由电弧上方区域向熔 池表面转移，提高了焊接能量的利用率。 在光谱分析的基础上，借助焊接电信号与高速摄像照片来进一步研究复合焊 接电弧。通过建立焊接多信息同步采集系统实现对复合焊电信号、高速摄像与光 谱信息的同步采集，接着比较分析给定触发脉冲下获得的焊接电信号、高速摄像 照片和光谱信息，发现这三者在时间上具有很好的对应关系，即实现了激光一 m a g 复合焊接多信息的同步采集与分析。最后根据同步采集结果，利用最小电 压原理成功解释了复合焊接电弧长度缩短的原因。 关键词：激光- - m a g ；复合焊接；电弧特性；光谱信息；同步采集与分析 a bs t r a c t l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gs y n t h e s i z et h es t r o n g p o i n to fl a s e ra n da r c ，h a st h e u n i q u ea d v a n t a g ei nw e l d i n gt h i c ks t e e lp l a t ea n da l u m i n u ma l l o y , r e v e a l sc a p a c i o u s a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h em a n u f a c t u r ef i e l d so fa u t o m o b i l e ，s h i pc r a f ta n d a e r o s p a c ev e h i c l e b yf a r , r e s e a r c h a b o u tl a s e r - a r ch y b r i d w e l d i n g i s m o s t l y c o n c e n t r a t e do nt h ea p p l i c a t i o na n dt h e r ei ss t i l lm u c hp r o b l e mt os o l v ec o m ed o w nt o t h ea r cp r o p e r t i e sa n dt h es t a b i l i t yo f w e l d i n gp r o c e s s r e s e a r c ho nt h ea r cp r o p e r t i e si so fg r e a ti m p o r t a n c et ot h es t a b i l i t yo f w e l d i n g p r o c e s s ，i m p r o v e m e n to ft h ew e l d i n gt e c h n ol o g ya n db e t t e r m e n to ft h ew e l d i n g q u a l i t y 1 1 1 ea r cp l a s m ac o n t a i n sm u c hr a d i a t i o ns p e c t r a li n f o r m a t i o na b o u tt h ea r c b e h a v i o r c o m p a r e dw i t ho t h e rp r e s e n td e t e c t i o nm e t h o d s ，t h es p e c t r u mt e c h n o l o g y h a ss u c ha d v a n t a g e sa sp l e n t i f u li n f o r m a t i o n ，h i g hs e n s i t i v i t y , f a s tr e s p o n s es p e e da n d g o o d p e r f o r m a n c eo fa n t i - d i s t u r b a n c e t h e r e f o r e ，s p e c t r u mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y w a sa d o p t e dt os t u d yt h ea r cb e h a v i o ri nl a s e r - m a gh y b r i dw e l d i n g p r i m a r yd a t aa b o u ta r cs p e c t r u mi n f o r m a t i o nw a s o b t a i n e dt h r o u g hs c a n n i n gt h e d i f f e r e n tb e d d m gs u r f a c eo fa r cs p a c e ，a n dt h e nf i g u r e do u tt h ed i s t r i b u t i o no f s p e c t r u mi n f o r m a t i o ni na r cs p a c eu s i n gi n t e g r a t i o nm e t h o d c o m p a r e dt h es p e c t r u m d i s t r i b u t i o nw i t hm a gw e l d i n ga n dl a s e r - m a gh y b r i dw e l d i n g ，t h er e s u l tw a s o b t a i n e da sf o l l o w i n g ：l i n e s p e c t r ae x i s t e do nt h eb a c k g r o u n do fc o n t i n u o u ss p e c t r u m ； t h el a s e rc h a n g e dt h ed i s t r i b u t i o no fa r ce n e r g y ，f o r m e daz o n ew h e r er a d i a t e i n t e n s i v e l yi n t h ec e n t e ro fa r ca n di n c r e a s e dt h ew e l d p e n e t r a t i o n ；a n dt h e i n t e r - c o o r d i n a t i o nb e t w e e nl a s e ra n da r cm a d et h ew e l d i n ge n e r g ym o v ef r o mu p p e r p a r to f a r ct ot h em ol t e np 0 0 1 a b o v et h ef o u n d a t i o no fs p e c t r a la n a l y s i s ，w e l d i n ge l e c t r i cs i g n a la n dh i g hs p e e d c a m e r ai m a g e sw e r eu s e dt od e e p l ya n a l y z et h eh y b r i dw e l d i n gp r o c e s s w e l d i n g e l e c t r i cs i g n a l ，h i g hs p e e dc a m e r ai m a g e sa n ds p e c t r u mi n f o r m a t i o ni nh y b r i dw e l d i n g w e r er e a l i z e dt h r o u g ht h es y n c h r o n o u ss y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h ee l e c t r i cs i g n a l ， h i g hs p e e dc a m e r ai m a g e sa n ds p e c t r u mi n f o r m a t i o n ，a l lo fw h i c hh a do n e - t o o n e c o r r e s p o n d e n c e f i n a l l y , t h ec a u s eo f h y b r i dw e l d i n ga r cw a ss h o r t e n e dw a se x p l a i n e d s u c c e s s f u l l yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fm i n i m u mv o k a g e k e y w o r d s ：l a s e r - m a g , h y b r i dw e l d i n g ，a r cp r o p e r t i e s ，s p e c t r u mi n f o r m a t i o n , s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o na n da n a l y s i 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，也不包含为获得苤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：量家仁签字日期：力吵年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘芏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) 学位论文作者弛考家仁 签字日期力口7 年多月厂日 导师签名： 签字日期： 名，杉 知夕年月厂日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 激光一m i g 复合热源焊接技术由英国学者w m s t e e n 于2 0 世纪7 0 年代末 期首次提出，其主要思想就是有效利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得 较大的焊缝熔深，同时提高激光焊接对焊缝间隙的适应性，实现高效率、高质量 的焊接过程【1 q 】。1 9 8 5 年，日本s n a g a t a 等人首次进行了激光一m i g 复合热源 焊接试验，结果表明复合热源焊接具有其他焊接方法无法比拟的优越性，如可用 于厚板和难焊金属的高速焊接、表面合金化、涂敷、快速成型、模具修复以及精 密工件的点焊等多种应用领域【4 j 。 到目前为止，从所发表的文献来看，关于激光一m j g 复合热源焊接技术的 研究主要集中在应用方面，而涉及到复合热源焊接的基础理论方面，仍有许多问 题有待研究。研究焊接电弧的特性，对稳定焊接过程、改进工艺方法和改善焊接 质量都具有非常重要的意义，而焊接电弧光谱直接取自电弧内部，含有丰富的反 映电弧特性的信息【5 ，6 】。与现有其他检测方法相比，光谱信息技术具有信息量丰 富、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等一系列独特的优点。基于以上分析， 确定了利用光谱信息技术来研究激光一m a g 复合焊接的电弧特性。 本文首先通过制定合理的试验方案，获得了m a g 焊接与复合焊接电弧的光 谱信息，然后对比了这两种焊接条件下的电弧等离子体光谱辐射在频域和电弧空 间上的分布特征，接着通过建立复合焊接多信息同步采集系统，分析了m a g 焊 接与复合焊接在同一时刻的电流电压信号、电弧光谱信息与高速摄像照片，进而 深入研究激光与电弧的作用机理及复合电弧的特性，从而为激光一电弧复合热源 焊接熔滴过渡及过程稳定性的控制提供理论基础。 1 2 激光一电弧复合热源焊接的研究现状 1 2 1 激光一电弧复合热源焊接的工艺研究 由于单独激光热源焊接的作用区域小，对焊前装配的要求较高，一定程度上 限制了激光焊接的应用。激光一电弧复合焊接中电弧的参与，扩大了热源的作用 范围，熔化金属增多，桥接能力增强，降低了对焊接的装配要求。同时电弧作用 范围增大，热影响区扩大，温度梯度减小，焊后冷却速度降低，熔池凝固过程减 第章绪论 缓，可以有效地减少或消除气孔和裂纹的产生。 另外电弧焊接容易使用焊丝填充焊缝，采用激光一电弧复合焊接的方法进 一步扩大了拼缝间隙的容限，减轻了焊后接口部位的凹陷显著改善了焊缝成型。 丹麦的j k k r i s t e n s e n 使用激光与檄光一电弧复台焊接的方法对1 2 r n m 厚的结构 钢进行焊接，得到的焊缝横截面如陶1 1 所示。 此外，通过选择不i 刊的填充焊丝，还可咀调整焊缝的化学成分，改善焊缝的 力学性能。总之激光一电弧复合热源焊接练台r 激光与电弧的优点，在焊接大 厚钢板和铝台金等难焊金属方面其有独到的优势，在汽车、船舶、航宅航天器制 造等领域艘现出了广阔的应用前景“j 。 进行 同坡 水平 ( a ) g a pu p o n 0 0 r a m( b j g a pu p o no5 m m 第一章绪论 c ) g a pu p o n08 m m( 山g a p u p o n10 m m 圈1 - 2 不同坡l jq 隙r 的激光一m a g 复台焊岸缝形貌 激光一m l g 复合热源焊接技术为铝合金焊接应用提供了一个有效的焊接方 法+ 国外不少研究机构己把铝台会的激光m i g 复台热源焊接作为重点研究内 存i o , w 】。采用m i g 电弧焊接技术焊接大厚板铝合金，由于热输入量大且一般需要 多道焊接，焊后变形大校形工作量大，增加了焊接成率，降低了生产效率。与 单馓光或m i g 电弧焊接铝台金相比，馓光一m i g 电弧复台热源烨接小仅- 以提 高焊缝熔深，而且还可以改善焊缝成型，减少气孔、咬边等焊接缺陷j 。 2 0 0 2 午，德国h i g h y a g 激光技术有限公司es c h u b e r t 等人用复台热源焊 接装置从熔透深度、加工稳定性和保护气体等方面对4 r a m 厚的a a 6 x x x 系列锚 台金进行了对接和搭接复台热源焊接试验。试验结果袁明，激光一m i g 复台热 源墀搂不仅获得了足够的熔透深度和良好的焊缝成型，消除了冷裂纹和气孔等焊 接缺陷：而且对焊缝装配具有良好的适应能力1 2 ”j 。 jh 扪mb ib j4 n l l l jl b - us m 】mjb = 12 i n n l 、= 83 m ，忙81 m l m mv - 78 m m mv = 71 m ，n l l n 罔1 3 复合热源焊接4 m m 岸不同问隙的a a 6 x x x 铝台台对接蚪缝截面” f 送丝速度为v ：问卧7 ab 焊接建度25 m r a i n ) i 髑 ：碧擎爆、 图i 4 复台热源焊接4 r m n + 4 m m 厚捂 接焊缝截面( 焊接速度：2 0 m i m i n ) 1 1 2 目1 - 5 复台热源焊接的搭接接头( 焊接 逛度：8i m m i n ：线能量：7 3 0 j c m j 臣互 第章绪论 罔1 3 和图i 一4 分别为27 k w y a g 激光和脉冲m i g 电弧复合热源焊接 a a 6 x x x 系列铝台金对接和搭接焊缝形貌图。图1 - 5 为德国a a c h e n 大学采用激光 一m i o 电弧复合高速焊接2 r a m 厚铝合金措接接头形貌，其焊接速度可达 m r a i n 以上【”i 。 1 2 2 激光一电弧复合热源焊接机理的研究进展 激光与电弧两种热张的复台，不是简单的两种热源丰甘叠加，而是将物理性质 和能量传输机制截然不同的两个热源耦合在起麸同作用于工件表面同一区 域。即充分发挥了曲种热源各自的优势，又相可_ 弥补了各自的不足，从而形成r 一种全新高教的热源”i ：特别是对激光等离了体的危害作用减弱，为深熔焊提供 了一个较好的新热源，较其它解决激光等离子体危害作用的力法，它更具有现实 意义，其原理示意糊如f 图所示， 。一 j p u 凹1 激光一m i g 复台热源焊接加t 帕原理倒 当激光辐射在金属材料表面时，激光的- - 部分能量将在一个很薄的表层内被 吸收并转换成热量，使表面温度列高。当激光功率大于材料蒸发所需的临界功率 时，原为凝聚态物质的蒸发成为能量消耗的丰要途径。丰【i 比z 下，在薄的加热层 中所含的能量是很小的，激光所提供的能量几乎都用于物质的蒸发，然后使气体 加热并加速，同时蒸汽的反冲作用存材料表面产牛定的反冲力使熔融金属表 面r 陷并形成小孔，形成小孔的力学条件是材料焦靛产生的压力必须达到一定的 临界值以克服表面张力、静压力和液体曲流动阻力，材料蒸发产生的址力与表面 张力、静j 玉力和液体的流动阻力之间的f 衡式为【1 “； r = 2 0 心+ p g c 十p ( f ) 第一章绪论 式中，仃为液一气界面的表面张力月，为熔池表面的曲率半径，譬为重力 加速度，：为熔y 电下陷深度尸( ，1 为液体的流动阻力。 近年来不少学者采用焊接电流、电弧电压以及高速摄像等信息对激光一 m i g 电弧复台热塬焊接过程中激光与电弧等离子体的相互作用进_ ：j = 了研究，日 的是基于基本物理现象的理解。为了更好地理解复台热源焊接过程中复杂的能量 传输现象，一些研究者已经开始将数值模拟技术应用到r 激光一m i g 夏台热源 焊接的计锋之中。 关于c 0 2 激光与g m a l 乜弧相互作用的物理机制，日本大阪大学的n o b u y u k i a b e 等人采用高速摄像观测了小同熔滴过渡形式下复合热源焊接过枵中激光与 电弧等离子体时熔池稳定性的影响。 8 ) 短路过渡复台热潍焊接( b ) 喷射过渡复合热源焊接 图i 7 恕路过渡和喷射过渡形式下复合热源焊接电弧和熔池图像 i o j 图i 7 ( a 】、f b l 分别为短路过渡和喷射过渡复合热源焊接中的电弧和熔池图 像。由十短路过渡电弧周期性的 圭大和熄灭会导致不稳定的焊缝熔池不利十激 光能母过渡到母材之中，囡此，与短路过渡形式相比，喷射过渡形式更适合于激 光与m i g 电弧的复台热源焊接【l8 ”】。 韩幽科学技术院的j - hc h o 和s - jn a 存t i g 焊基础i - n 加液态熔滴的作 片j 模拟了m a g 焊接熔池模型，然后考虑激光焊接q 1 的多次反劓、菲涅耳吸收和 反冲力作用模拟出激光焊接的熔池模型最后使用流体体积法将m a g 与激光熔 池模型台并得到，激光一m a g 复台焊接熔池模型，其中激光焊接液态金属的流 巷如图1 - 8 所示。图卜8 a 为匙孔刚形成时的熔池模型，其f ；部有少量液态金属， 在底部，熔池金属在激光敛等离子体的反冲力作用下向下运动熔化金属运动到 固液界面时，在浮力的作用f 慢慢k y ) - 于熔池中形成环形涡流并对熔池进 行搅拌。随着激光能量的输入，熔池金属的流动变得要复杂：首先在匙孔掇部形 成两个流束，最终形成三十流柬但环形涡流始终存在，如图卜8b 和c 所示 卜叠 叠 匿 第一章绪论 隔1 8 液态金属“。础形式的模拟结果 ( af 05 3 sb to9 9 sc f 19 6 s ) 受激光等离子体和金属蒸汽的影响激光一m i g 复台热源焊接降低了原有 m i g 焊接的熔滴过渡频率，破坏了熔滴过渡的轴向性和稳定性，从而影啊了复 合热源焊接的熔透深度和焊接质量。针对这特点哈尔演丁业大学的刘达樊和 李俐群在分析复台热源焊接熔滴过渡物理特征的幕础上，对熔滴过渡行为与受力 状态进行台理的假殴与数学描述，建立了复合热源焊接熔滴形态的力学模型。基 于能量簸小原理建立了复台热瓣焊接熔滴过渡形态的能量控制方程并分析了 焊接电流、激光功率、保护气流量等焊接参数对熔滴形态、熔滴过渡稳定性与过 渡频率的影响规律，其中y a g 激光一m l g 复台热源焊接过程中短路过渡条件下 激光功率对熔滴液面形态影响的试验结果和模拟结果如下圈所示。 第童绪论 时 a ) p _ 1 0 0 0 w( b 1p = 15 0 0 w“) p = 2 0 0 0 w 图i - 9 短路过渡时激光功率对熔滴液面形奋的影响】 1 3 焊接电弧光谱信息检测技术及其研究现状 利用光谱信息检测焊接电弧的技术基础是借助光谱仪将电弧光辐射分解为 光谱，选择出其中的特征谱线，再依靠光谱强度与电弧等离了体内帮的温度、粒 子浓度和成分等凼素的关系来反映和测定电弧内部的物理状态和过程。与现有其 他检测方法相比，光谱法具有以下一系列独特的优点：信息丰富，灵敏度高、选 择性好，响应速度快，无介入性、抗干扰能力强，时空分辨率高等1 2 ”： 1 3 1 电弧光谱在电弧温度、浓度测试方面的应用 2 0 世纪6 0 年代，g r i e m 等人从量子理论和统计力学的角度，系统地阐述了 定量光谱测试的理论，提供了关于原子和离了的跃迁几率、谱线强度、展宽和位 移等详细数据，并给山了理论模型的实用削据及各种诊断方法的应用实例，从而 为等离于体光谱诊断法的口趋成熟奠定r 基础口“。 在焊接技术应用上，电弧光谱检测技术起步于2 0 世纪6 0 年代。eas m a r s 根捌氲的激发和电离产生的特征谱线+ 确定了铝极m i g 辉电弧的温度。s m a r s 还对铁极m i g 焊电弧进行了测温研究，发现其轴向温度约为8 0 0 0 k ”。7 0 年代 以来，ht o n 用光谱法研究了m i g 等离子体的l 乜弧温度和成分。进入8 0 年代， 天津大学的李俊岳、宗水伦和苏跃母等人对焊接电弧光谱诊断进行了较为系统的 研究，获得r 划电弧等离子体具有局部热力学甲衡及“光学博”性质的认识，他们 建立了电弧光谱诊断装嚣，分别对t i g 焊、i i g 焊电弧的温度场、压力场和混 合气体电弧成分分布进行了删定，提出了多线光谱测试法，解决了多成分电弧、 最礴测温度区、多参数h 刚测定的问题1 2 4 - , 6 1 ：图i 1 0 是李俊岳教授利用光谱划： 所删得的a r h 2 电弧温度和成分的分布，并由此开发了电弧中有害氢的实时删 控洁， 第一章绪论 主 ：； ( a ) 不同温度下各种粒子数密度1 1 的分布( b ) 沿半径方向的温度t 的分布 ( c ) 沿半径方向的氩一氢浓度比值r 和氢当量浓度 h 2 】的分布 图1 1 0 利用光谱法所测得的+ h 2 电弧的温度与成分的分布【2 7 】 国内学者韩国明、李研等人于2 0 世纪9 0 年代开展了对焊接电弧紫外辐射的 研究，初步获得了紫外辐射光谱在频域和电弧空间上的分布特征，并进行了焊接 生产安全防护方面的探索 2 8 , 2 9 。国内学者王国荣等人还开展了水下焊条电弧温度 和成分的光谱测试，获得了该电弧温度和其气氛中氢氧组分浓度的物理参量，指 出水下焊条电弧气氛中的氢浓度可高达5 0 ，难以用常规手段通过提高焊条药 皮中的氧来抑制氢的含量，并解释了水下电弧焊缝熔宽窄、熔深大是由氢和水对 电弧的压缩造成的p 。 1 3 2 电弧光谱检测技术在熔滴精确控制中的应用 以往的m i g 和m a g 焊接主要是通过调整焊接电流和电弧电压这两个工艺 参数，来实现对熔滴过渡状态的间接控制。为实现对熔化极脉冲气体保护焊熔滴 过渡的精确控制( 如1 脉l 滴等) ，焊接研究者相继开发了协同控制法、电弧音 频控制法、电弧弧光光强控制法等，但由于焊接电弧的复杂性，都难以得到精确 的控制【2 1 1 。在对焊接电弧光谱信息深入研究的基础上，有学者提出了使用光谱法 来控制脉冲m i g 焊的熔滴过渡。 国内有学者在利用光电测试法观察m i g 焊熔滴过渡时发现，电弧电压、焊 接电流波形变化不大，很难从电信号中判断熔滴过渡频率，但观察电弧光谱信号 时发现铁和氩谱线辐射强度除了随电信号波动外，还存在准周期性的起伏变化， 变化幅度平均值在4 0 以上，由此提出了利用光谱控制熔滴过渡的思想【2 9 1 。天 津大学的柳刚通过试验研究证实了在各种气保焊的熔滴过渡中，即使在电流和电 压波形总体平稳的高频过渡中，也都存在随熔滴过渡出现的呈显著波动的电弧光 谱信号，如图1 1 1 所示。 第一章绪论 ( a ) 射流过渡一舡：1 6 l r a i n ，3 7 v( b ) 射滴过渡一心+ c 0 2 ：2 0 l r a i n 2 2 0 a ，焊丝h 0 8 ：0 1 0 m m2 8 v ，1 6 0 a ，焊丝h 0 8 ：m 1 0 r a m 图1 1 1不同工艺条件下熔化极电弧特征谱线信号的波形【3 1 l 国内学者李俊岳和胡胜刚等人对脉冲m i g 焊的光谱信息进行了深入的研 究，取得了高品质的反映脉冲m i g 焊的光谱信号。无论是1 脉2 滴还是l 脉3 滴，光谱信号波形都呈现大幅度的波动，且清晰易于识别。表明了电弧光谱信号 在反映熔滴过渡方面具有比电弧电信号、光强信号更为优越的特点，它不仅可以 检测熔滴短路过渡，而且还可以有效地检测自由过渡( 射滴过渡、射流过渡以及 脉冲过渡) 。胡胜刚还在前面研究的基础上提出了脉冲m i g 焊l 脉1 滴熔滴过渡 的光谱控制法，建立了一套脉冲m i g 焊熔滴过渡的光谱检测和控制装置，以此 对脉冲m i g 焊熔滴过渡进行控制，取得了很好的控制效果。其中，图1 1 2 为l 脉l 滴光谱控制效果的波形。 图1 1 2 脉冲m i g 焊熔滴过渡l 脉l 滴光谱控制结果的波形【3 3 1 1 3 3 激光一电弧复合焊接的光谱信息检测技术 大连理工大学的郝心锋和宋刚通过建立如图1 1 3 所示的激光- - t i g 复合焊 接和光谱采集系统，获取了t i g 焊接与激光- - t i g 复合焊接过程中的等离子体光 谱辐射信息，进而通过光谱辐射来分析激光与电弧的相互作用【3 4 1 。 9 瑚挪掰酏o”o ， s 之 曩毫堪譬筇转 碡墨譬噬 姗郴m m o m o 二i 冬 ， 誉幺霹蔷鼍驻 礴塔奄赋 第章绪论 图i 1 3 复台焊接与光谱采集系统 试验使用的激光器为l w s 5 0 0 y a g 脉冲激光器，激光波长1 0 6 4 r i m ，聚焦透 镜焦距1 2 0 r a m ，焦点直径05 m m ，焊接试样为40 m m 厚的a z 3 i b 镁台金，使 用氢气作为焊接保护气体。试验获得的t 1 g 焊与复合焊电弧等离子体光谱辐射 信息如图1 一1 4 所示，从中可以看出等离子体光谱信息同时包含了连续光谱和线 状光谱辐射，复合焊接的m g l 、m g l l 谱线辐射强度要明显强于t i g 焊接而复 台焊接的a r l 、a r l l 谱线辐射强度却比t 1 g 焊有所减弱。 mh “ a 1 t i g 电弧等离子体光谱( b ) 复台电弧等离子体光谱 图i - 1 4t i g 屯弧与复台电弧等离子体光谱对比图【“i 激光功率3 0 0 w ：焊接电流：1 0 0 a 焊接速度：08 m j m i n 国内学者刘黎明等人首先通过试验研究了m a g 焊接与辙光一m a g 复舍焊 接电弧的等离子体光谱辐射，接着在假定焊接过程处于局都热力学平衡状态的条 件下，通过玻尔兹曼作图法推导出了工件表面的电子温度，最后还利用斯达克展 宽原理计算出了焊接电弧宅司的电子密度，计算结果立圈1 - l5 所示。其中，电 子温度与电子密度的计算公式分别如下”i ： 瓮= 爱老g 急唧c 一叠k t 叠，mj m 2 ) k m 4 蕊蘸 第一章绪论 式中，乙为谱线的峰值强度，k 为谱线波长，为跃迁几率，色、 分别为m 能级的激发能和统计权重，k 为玻尔兹曼常数，r 为温度。 m = 鲁枷1 6 式中，硝2 为辐射谱线的半高宽度，w 为电子碰撞展宽系数。 ( 1 - 3 ) ( a ) 工件表面电子温度变化对比图( b ) 工件表面电子密度变化对比图 图1 1 5 工件表面的电子温度和电子密度变化对比图旧i 1 4 本课题研究内容 ( 1 ) 建立激光一m a g 复合焊接系统及焊接过程中的电流电压、光谱辐射与 高速摄像采集系统： ( 2 ) 比较分析m a g 焊接与激光一m a g 复合焊接电弧等离子体光谱辐射在 电弧空间的分布特征，从中找出它们的差异，进而研究复合电弧的特性； ( 3 ) 建立焊接过程多信息同步采集系统，比较分析m a g 焊接与激光一m a g 复合热源焊接过程中的电流电压、光谱辐射与高速摄像，进而深入研究激光与电 弧的作用机理及复合电弧的特性。 第二苹实验设需 第二章实验设备 试验中使用到的设备主要自：复台焊接设备、光电信号采集设备与高速摄像 机，术章逐一介绍了他们的性能参数以及使用注意事项， 2 1 复台焊接设备 本实验使用的复合热源焊接机头为机械科学研究院哈尔滨焊接研究所开发 的n d ：y a g 激光+ m i g m a g 电弧复台热源焊接机头，复合 式为激光在前电 弧在后，如图2 1 所i i 。 圈2 i 激光- - m i g m a g 复合焊接帆头 2 1 1 激光器 本试验所用激光器为德国h a s s 公司生产的最大额定功率为2 k w 的 h l 2 0 0 6 d 型n d ：y a g 激光器输出渡k 为l0 6 9 i n 的连续波激光，由内径为06 r a m 的光纤传输，聚焦透镜焦距为2 0 0 r a m ，焦点直径为06 m m 。激光器的实物如图 2 - 2 所示。 第二章实验设备 圈 温童 圉2 - 3f r o n i mt p s5 0 0 0 掣焊机喇2 4f r o n i 雌v r 4 0 0 0 送缝机 其中t p s5 0 0 0 型数字化焊接电源的技术参数列于如下 输入土l 乜压l5 蹦5 0 6 0 h z 3 x 3 8 0 v 初级功率1 0 0 暂载率) i51 k v a 效率 8 9 “ 焊接电流范围m i g m a g 3 5 0 0 a 第二军实验设备 开路电压 1 二作电压m i g m a g 焊接周期( 1 0 m i n 4 0 焊接周期( 】0 m i n 4 0 尺寸 重量 7 0 v 1 42 3 90 v 4 0 暂载率5 0 0 a 】0 0 暂载率3 6 0 a 6 2 5 2 9 0 4 7 5 m m 3 56 k 对十t p s5 0 0 0 数字化焊接电源，它有一个外置的送丝帆一v r4 0 0 0 ，具有全 面的功能和相应的显示可直接反馈到焊机本身。v r4 0 0 0 送丝机的实物如图2 - 4 所示，技术参数如下： 电源电压 马达电流 焊丝直径 送丝速度 尺寸r 长x 宽高) 重量 2 2 光电信号采集设备 5 5 v d c 05 2 2 m m l n 6 5 0 2 9 0 4 1 0 r a m 1 6k g 2 2 3 电流电压传感器 传感器作为种转换装置，a j 阻将焊接电弧电压、焊接电流转换为讣算机可 以识别的信号，传给数斜采集卡，最后传输到计算机进行分析处理；凼此传感器 的性能是能否采集到精确信号的芙键。本采集系统使用的传感器主要有焊接电流 传感器和电弧屯压传感器。如图2 - 5 所示。 ( a ) 烨接电流传辟器( b ) 焊接电压传感器 图2 - 5 焊接电流和电压传感器 第二章实验设备 电流传感器采用有源霍尔效应电流传感器，其检测原理是利用霍尔效应将 工作电流转化为测量电压，经过放大，再转换为电压模拟信号输八到计算机中， 电压传感器的检测原理是将电弧电压信号经过电阻转换为电流，然后通过小电 流霍尔教麻传感器进行检测再经过转换电路转换为电压信号 ， 2 2 4 光谱仪 本实验采用荷兰a v a n t e s 公司，f 产的a v a s p e c 2 0 4 8 ( u s b l l 型光纤光谱仪，包 括光纤接头( 标准s m a 接u ，也可以选择其他娄型的接u ) 、准直镜、聚焦镜和 衍射光栅。该光谱仪提供1 6 种不同色散系数和闪耀波长的光栅供删户选择，测 量波长范围2 0 0 - 1 1 0 0 r i m ，特别适合低亮度和高分辨翠的应用领域。此外，光谱 仪后面板上的数字式i o 接口可以提供外触发功能试验时正是利用外接信号输 入柬触发光谱仪工作的，其实物图及技术参数如下所示： 图2 - 6a v a s p e c - 2 0 4 8 型光纤光谱仪 a v a s p e c - 2 0 4 8 ( u s b i ) 型光纤光谱仪技术参数： 光学平台 对称式c z e r n y - t u r n e r 光路设计，7 5 r a m 焦距 波k 范围 2 0 0 1 l0 0 n m 分辨率 o0 4 2 0 r i m 与光若仪具体配置有关 杂散光 g ) ( 3 - 1 ) 其中，p 、g ：发生跃迁的两个能级，枷：辐射光量子的能量。 由于原子或离子的能级具有确定的能量且能级的分布是非连续的，因此激发 辐射得到的将是非连续的线状光谱。在激发跃迁辐射中，元素谱线的位置是固定 的，因此具有对应可分辨性。 3 1 2 韧致辐射与复合辐射 韧致辐射是运动着的电子和离子相互碰撞时电子在库仑场中加速或减速产 生的一种最普遍的辐射，其反应式为： 是+ pc s z + p + 厅v 1 9 ( 3 - 2 ) 第三章激光一m a g 复合焊接的电弧光谱信息 复合辐射是电子被离子俘获复合成原子，释放出多余的能量产生的一种辐射 形式。产生复合辐射时，除了释放电子的动能外，还要释放电离能，其反应式为： s z “+ e s z + h v ( 3 - 3 ) 在这两种辐射中，由于粒子能量状态的变化是连续的，因此其辐射谱线为沿 波长分布的连续谱。 3 1 3 黑体辐射 焊接电弧中的熔滴、熔池和高温液态金属可看成是准黑体，发出近似黑体的 辐射。黑体辐射亦是连续谱，在频域上的分布服从普朗克定律。 f ( a ，驴m b a ：驾皓 ( 3 川 “ p 灯一1 式中，m b 五：绝对黑体的光谱辐射出射度，w c m 2 朋 a ：波长，p m c ：光速 丁：温度，k h ：普朗克常数k ：玻尔兹曼常数 3 2 焊接电弧光谱信息的基本理论 焊接电弧弧柱占电弧体积的绝大部分，它是一种等离子体，在电弧光谱信息 中常把它作为研究对象。从等离子体物理学和光谱学出发，当系统处于完全热力 学平衡( c t e ) 或局部热力学平衡( l t e ) 时，对于某种粒子( 如某元素的原子) 从高能 级m 跃迁到低能级n 时，相应于某一波长的谱线发射率( 或称辐射密度) s 肘一为： = 石1 啪= 击以。办南e x p 一鲁】 ( 3 5 ) 式中：a m 。为m 能级原子跃迁到n 能级的跃迁几率：h 为普朗克常数；作 为辐射谱线的频率；g 。为m 能级的统计权重；z ( t ) 为原子的配分函数；n o 为 该种原子的全部原子数的密度：匕为上能级m 的激发位能：r 为温度；k 为玻 尔兹曼常数。 第三章激光一m a g 复合焊接的电弧光谱信息 对于局部热力学平衡( l t e ) 条件下的电弧等离子体，其粒子密度服从 b o l t z m a n 分布 3 9 , 4 0 l ： 鲁= 南e 卅刍k t z ( 丁) 一 。( 3 - 6 ) 式中：t i 。为i t i 能级的原子数密度。 产生电离反应后，中性粒子、离子和电子之间的密度分布遵循沙哈分布： 盟= 以z ( 丁) ，h p e x p 卜百e r + l j -( 3 7 ) 式中：t i r + i 、吩分别为，+ 1 次、，次电离的粒子数密度( ，= 0 ，1 ，2 ，) ： 以为电子数密度；z ( 丁) r + 1 、z ( 丁) ，分别为r + 1 次、r 次电离离子的配分函数； 巨+ l 为，+ 1 次电离是的电离能。 对一次电离，上式可写成： 监：翌( 2 z r m e k t ) 3 2 n oz ( t ) h 3 e x p 卜每 ( 3 - 8 ) 式中：t i l 为一次电离的粒子数密度；z ( 歹) l 为一次电离离子的配分函数；m 。 为电子质量；巨为一次电离的电离能。 对于双原子气体分子在电弧等离子体中的的解离反应鸣么+ a ，由质量 作用定律有解离方程： 急2 = 曩 丁2 r c m a k t 】3 2e x p - 鲁】 p 9 ， 式中：n 爿2 为分子数密度；t i a 为解离所得的原子数密度；z 二2 、z a 分别为 分子、原子的配分函数；m 一为原子质量：e d _ 2 为解离能。 由于电弧等离子体对外表现为电中性，则有准中性方程： t l e = + 2 矿+ 3 + + + ( 3 - l o ) f fi 2 l 第三章激光一m a g 复合焊接的电弧光谱信息 式中：矿、一+ 、矿h 分别为第f 种一次、二次、三次电离的离子数密度( f 按元素划分) 。 另外，等离子体的压力服从状态方程： p = * r e n j 一却 j ( 3 - 1 l 、 式中：p 为等离子体空间某点的压力；，z ，为该点7 种粒子数的密度( ，包括 各种原子、各种分子和电子) ：p 为库仑作用力等引起的压力修正值。 从以上七个方程可以看出，谱线发射率s 。不仅是温度r 和原子数密度的 函数，而且通过各个方程与其他各种粒子数密度及压力相联系，即谱线发射率是 电弧这一热力学系统内全部状态参量的函数。因此，电弧内的各种状态变化都可 通过光谱信息得到反映，光谱信息已成为反映电弧特性最丰富的信息源【3 8 ，4 。 3 3 焊接试验 3 3 1 试验条件 本试验采用图2 1 所示的激光m i g m a g 复合热源焊接机头，激光作用在 前，电弧作用在后，激光和焊丝在工件上的作用位置相距2 m m 。激光输出功率 为2 0 0 0 w ，脉冲熔滴过渡方式为一脉一滴，保护气为8 2 a r + 1 8 c 0 2 混合气体， 焊丝为h 0 8 m n 2 s i ，焊接工件为q 2 3 5 普通钢板，焊接方式为平板堆焊。 图3 1 焊接试验系统结构图 第三章散光一m g 复合焊接的电弧光谱信息 罔3 1 为该试验的系统结构图焊接机头固定不动，由运动的行走小车承载 焊接工件完成焊接试验。高速摄像机的镜头置于焊缝的一侧，拍摄到的高速摄像 照片临时储存在高速摄像机的内存然后下载保存到i 号训算机中：光谱仪的探 针置于焊缝另外一侧，即与高速摄像机相对一侧采集到的电弧光谱信息通过光 谱仪保存到2 号计算机中。 3 3 2 试验方案 为了分析焊接电弧光谱辐射信息在电弧空间的分布情况，确定了如卜 式验方 案：将光谱仪的探针吲定在行走小车上，能够随着小车自由行走i 在光谱仪开始 采集光谱信息后+ 触发高速摄像帆开始拍摄电弧照片。当完成一次焊接试验，光 谱仪采集到了焊接电孤某一层面不同位置的光谱信启，同时高速摄像机获得了这 一时间段的电弧形貌照片， 本试验使用p h o t r o nf a s t c a m - u k i m a5 1 2 高速摄像机，拍摄额率为 1 0 0 0 f p s ( 帧秒) 光谱仪采样频率为2 0 h z 。为方便描述，以电弧作用一侧为x 轴j 下方陬以垂直工件表面向上为y 轴f 川q 建立直角坐标系，改变探针在y 轴方向上的付置柬采集焊接电弧空问不同层面上的光谱辐射信息，在每一个层而 上分别用眯冲m a g 焊接与激光- - m a g 复台焊接完成次试验过程。 试验从丁件表面f 置，每隔05 m m 扫捕一个i 乜弧层m 1 。参考探针在电弧空 削的位置及采集到的光谱信息，最终完成了9 个电弧层面的试验。本试验的方案 示意图如图3 - 2 所示。 l 矾。 1 e rb e a m l 。 1 斟3 - 2 试验方粜示意幽 3 3 3 试验基本要求 ( 1 ) 仔细调整光谱位探针的位置以保证其严格对一l i 和垂直 2 3 第三章激光一m a g 复合焊接的电弧光谱信息 ( 2 ) 准确记录扫描的起始时间点，以便在结果分析中进行精确定位： ( 3 ) 从保护探针和试验效果考虑，建议在较小电流条件下进行焊接试验； ( 4 ) 每个扫描层面的采集速度预设为5 0 m s ，焊接速度与光谱仪扫描速度要求 匹配，原则是保证5 0 m s 相对于焊接速度而言是个瞬时值，即光谱辐射信息在 5 0 m s 内的积分强度可被认为来自于电弧空间的某一点。