激光焊接熔透过程同轴光信号检测

高功率激光焊接过程中，熔透是保证焊缝质量的前提。实现焊接熔透控制首先要提取出焊接熔透过程中的特征信号。本文针对激光焊接过程中的等离子体光信号检测，设计了同轴光信号检测传感器。在平板、斜板以及阶梯板焊接实验中，得出了不同熔透状态下，同轴光信号的变化规律。     

非穿透激光焊等离子体光信号与熔深的关系

在一定工艺条件下,焊缝熔合面积随线能量的增加线性增长,而在激光功率与焊接速度二者之中,激光功率对熔深有更为显著的影响,焊接速度则对熔宽影响较大.400nm~600nm波段的等离子体光信号可以较好地反映非穿透激光深熔焊熔深的变化,其均方根值与熔深成严格的二次曲线关系,另外还分析了等离子体光信号与焊缝熔深之间内在联系.研究结果为非穿透激光深熔焊熔深的实时监测或预测提供了理论与实验依据.     

镀锌钢激光添粉焊接的等离子体监测机理

采用CO2激光器对1.6mm厚的B340/590DPD+Z镀锌钢板间添加不同量铜粉进行了激光搭接焊。基于光谱仪采集的焊接等离子体光信号,分析添加铜粉对焊接过程产生的等离子体光信号的影响,以及焊接气孔与等离子体光信号的关系。焊后采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)对焊缝截面扫描,检测铜元素的平均含量及气孔内壁主要元素的分布变化。研究结果表明,添加铜粉较未添加铜粉激光搭接焊时,等离子体温度振荡显著降低,平均温度下降约5000K;气孔内壁存在着铜锌固溶体合金,且焊缝中的气孔缺陷与CuI324.8nm谱线强度存在着关联。此结果为镀锌钢添加粉末激光焊接监测提供了理论依据,并为等离子体控制技术提供了一种新的方法。     

CO2激光-MIG复合对接焊熔透工艺

在有坡口间隙对接焊时，焊缝根部成形状态是衡量复合焊搭桥质量及其适应能力的重要指标。因此研究了CO2激光惰性气体金属弧焊(MIG)复合焊接3 mm厚不锈钢板时激光功率、电弧电流、激光-电弧距离、焊接速度、坡口间隙等工艺参数对根部熔宽的影响，并通过CCD摄像机对焊接过程中的等离子体进行了观察。研究表明，随着焊接参数的变化，CO2激光-MIG复合焊存在四种熔透状态，对某一间隙范围，选择合适的激光功率、电弧电流、激光电弧距离与焊接速度可以获得“适度熔透”的良好根部成形。激光功率、电弧电流过小，速度过大则会产生“未熔透”或“不稳定熔透”，反之则“过熔透”。间隙较大时，激光功率对熔透的影响较小。另外还研究了不同激光电弧距离对等离子体形态及其对熔透的影响。     

基于声波时频特性和深度学习的铝合金脉冲激光焊接熔透定量评估

焊缝熔透状态是定量评价激光焊接质量最重要的指标之一，实时准确识别焊缝的熔透状态是动态激光焊接过程监测和控制的关键。针对铝合金薄壁件的脉冲激光焊接，本文提出了基于声波时频特性和深度学习的焊缝熔透定量评估新方法。首先，搭建视觉-声发射多信息实时同步传感系统平台，获取反映匙孔动态行为的视觉图像和声波信号，并对声波信号进行分帧和小波包阈值去噪预处理；然后，使用平滑伪魏格纳维利分布（SPWVD）提取各帧声波信号的时频域图像，同时引入灰度共生矩阵（GLCM）提取时频域纹理特征，并将提取的纹理特征送入反向传播神经网络（BPNN）进行预测；最终，以SPWVD声波时频图为原始输入，构建基于卷积神经网络（CNN）的焊缝熔透分类模型。结果表明：声波时频图与匙孔动态行为、焊缝熔透状态具有高度相关性；相比于准确率为85%的传统BPNN分类模型，基于SPWVD时频图的CNN分类模型有着更高的准确率（98.8%）。所提定量评估新方法为铝合金薄壁件脉冲激光焊接熔透的在线智能诊断与自适应控制提供了参考。     

高功率光纤激光非熔透焊接5A06铝合金

为了解决高功率光纤激光非熔透焊接5A06铝合金过程中,焊接熔深的控制、合金元素的烧损、焊缝表面质量的改善等方面难以兼顾的问题,采用固定激光功率和正面焊接保护气的方法,通过改变单一焊接参量,研究了焊接速率、离焦量、搭接板间间隙的变化对焊缝表面质量的影响,并对焊缝内部镁元素的分布规律进行了理论分析和实验验证。结果表明,焊缝的硬度与镁元素的分布相一致;由于熔合线附近晶粒细化和母材镁元素扩散的共同作用,使熔合线附近的硬度高于其它部位;优化参量后的非熔透激光焊接头强度大于电弧铆焊接头,间隙为0.2mm的时候,激光焊接头强度最大,为母材抗拉强度的68.1%。这一结果对指导工业中的铝合金非熔透激光焊接是有帮助的。     

激光深熔焊等离子体电信号振荡特征与焊缝熔深的特征关系

针对激光深熔焊接过程的监控问题,基于小孔内部压力平衡条件分析了小孔振荡和小孔深度的关系。在此基础上基于小孔行为与等离子体行为的耦合性,以及等离子体振荡特征与等离子体电信号波动特征的一致性,利用短时自相关分析方法分析了A304不锈钢和Q235碳钢在激光深熔焊接过程中等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系。结果表明,等离子体电信号振荡周期随焊缝熔深的增加而增大,并且不同焊接材料的等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系不同。最后,在可变热输入连续焊接验证实验中,在焊接过程稳定的条件下,等离子体电信号的短时自相关分析结果与焊缝熔深之间有比较好的对应关系,与所分析的小孔振荡特征方程具有一致性。     

激光深熔焊接光致等离子体行为及控制技术

激光深熔焊接过程中，小孔上方的等离子体会影响激光和工件之间的耦合效率。本文在叙述激光深熔焊接光致等离子体形成机理的基础上，分析了致密的光致等离子体对入射激光的屏蔽行为和对焊接的影响。并系统介绍了国内外光致等离子体的控制技术。     

万瓦级激光-电弧复合焊接焊缝成形特性分析

为探究万瓦级激光-MAG复合焊接焊缝成形特性，在不同的激光功率下，对比分析了三种不同复合焊接方法在焊缝成形、等离子体形态方面的差异性及关联性。结果表明：随着激光功率变化，焊缝的特征尺寸及波动与等离子体的特征尺寸及波动具有一定的对应关系，具体表现为：随着激光功率增加，等离子体面积及其波动都增加，焊缝熔深、熔宽及其波动均增加；当激光功率增加到20 kW时，等离子体面积及其波动的增量开始减小，焊缝尺寸的增量也开始减小，焊缝成形质量开始变差。激光-单丝MAG复合焊接方法在20、25、30 kW激光功率下的平均熔深增量相比5、10、15 kW下的减小了71.64%。在相同的工艺参数下，与激光-单丝MAG复合焊接相比，激光-单丝MAG复合填丝焊接下的等离子体面积及其标准差显著增加，熔深减小，成形变差，而激光-双丝MAG复合焊接下的等离子形态、焊缝成形变化均不明显。随着激光功率增加，不同的添丝方式体现在焊缝成形及等离子体形态等方面的差异性逐渐增强，当激光功率增加到20 kW时，焊缝熔深以及影响熔深的等离子体面积及其波动的增量有所减小。     

铝合金双光束焊接特性研究

采用双束CO2激光进行了铝合金双光束焊接工艺试验,研究了双光束并行与串行排列两种模式焊接时的焊缝成形、气孔含量及接头强度等焊接特性,同时分别从同轴、旁轴两个方向监测了双光束焊接过程中熔池表面形态与等离子体特征,并与传统单束激光焊进行了对比分析.试验结果证明,双光束焊接过程等离子体更加稳定,尺寸也更小,因而获得了很好的焊缝成形与接头性能.相比而言,双光束并行焊接获得的焊缝性能更优,但会一定程度降低焊接熔深.     

脉冲激光焊接钛合金薄板的熔池深度预测

激光焊接过程产生的焊斑熔深直接影响焊接质量。激光焊接过程复杂,影响因素众多,许多参数难以量化。以TC4钛合金薄板为实验样品进行脉冲激光焊接实验。通过声波频谱减法对采样的声频信号进行降噪处理,并分析了声频信号的时域和频域特征,找到了声频信号和焊斑熔深的关系。采用径向基函数神经网络对钛合金薄板焊接过程的焊斑熔深进行预测。神经网络以声压强偏差、频带功率、激光功率和焊接速度作为输入。实验证明,在不同激光功率下该方法可准确预测焊斑熔深。     

HE130合金激光焊接线能量与焦点位置研究

实验研究了连续波Nd∶YAG激光焊接线能量和激光焦点位置对HE130合金焊缝成形质量的影响。通过试验确定了不同板厚HE130合金激光焊接时的有效线能量 ,并量化了有效线能量与熔深及深宽比的关系 ,得到了HE130合金激光焊接的有效线能量曲线和激光功率与焊接速度在不同板厚范围内的匹配曲线。为获得最佳的焊缝成形 (焊缝深宽比及焊缝背面成形 ) ,通过试验确定了不同板厚HE130合金激光焊接时的最佳激光焦点位置 ,并量化了它与板厚的关系 ,即最佳激光焦点位置曲线。     

Nd∶YAG激光焊接殷钢材料的工艺研究

利用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源,对殷钢材料Invar36进行了对焊实验,分析了工艺参数(激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量)变化对焊缝的表面形貌、熔宽以及熔透性的影响。对2 mm厚度的殷钢对焊接头的硬度变化进行了检测,同时对比分析了焊缝和基体的金相组织。结果表明,激光功率和脉宽是影响焊缝熔深、熔宽和热影响区大小的主要因素,激光焊接速度的选择范围相对较小,离焦量主要影响焊缝的宽度和熔透性,焊缝的组织成分没有发生明显变化,显微硬度略低于基体,焊缝处的金相组织为奥氏体柱状晶,并且呈现奥氏体晶粒粗化现象。     

激光-高频感应复合焊接技术

为了克服激光深熔焊易产生气孔、焊接高碳钢高合金钢等材料时接头组织性能恶化并容易出现裂纹以及材料对激光吸收率低等缺点,研究了一种将高频感应加热与激光相结合的复合焊接方法。以30CrMnSiA为对象,与激光焊接相比,采用激光高频感应复合焊的焊缝组织中马氏体成分减少,贝氏体成分增加,接头的裂纹倾向降低了,同时焊缝的熔深熔宽也有明显的提高,而并未使焊接热影响区变宽或组织恶化。实验结果表明,激光高频感应复合焊接与单纯激光焊接相比,可以起到改善接头组织性能、降低裂纹和气孔倾向以及进一步提高焊接效率的效果。     

YG18硬质合金激光焊接性能研究

讨论高含钴量的YGl8硬质合金的激光焊接性能.以Cu作为填充材料,通过激光热导焊可以获得良好的钎焊接头.在激光深熔焊模式下,焊缝上部两侧WC的部分熔化不会导致明显的缺陷,焊缝下部则形成与热导焊模式下相似的钎焊缝.     

激光深熔焊熔池及小孔的检测

激光深熔焊熔池-小孔包含丰富的反映熔深的信息.本文建立了基于视觉的熔池-小孔同轴检测系统,拍摄了不同焊接速度下熔池-小孔的清晰的图像,分析了熔池宽度、小孔直径随焊接速度的变化规律研究发现,小孔直径随焊接速度的增大先增加后减小,熔池宽度随焊接速度的增大而减小.     

激光焊接出现未焊透时等离子体光、声信号的傅里叶分析

利用快速傅里叶分析手段对激光焊接稳定过程及出现未焊透缺陷时等离子体的光声信号进行频域分析，发现在焊接过程稳定时，信号的频谱中存在明显线谱，以３００Ｈｚ处为最强。在出现未焊透缺陷时，光声信号的频谱为连续谱，无明显线谱。这为提高缺陷监测精度提供了一条新途径。     

激光深熔焊接阈值表征及特性

采用CO2和Nd∶YAG激光器焊接A3钢,结合高速摄像和光谱分析,研究激光深熔焊接阈值的表征及特性。结果表明,以激光功率与光斑直径之比作为深熔焊接阈值的表征参量,深熔焊接阈值与光斑大小无关;而临界功率密度随光斑尺寸不同而变化。YAG激光焊接模式转变阈值明显大于材料蒸发的阈值,在模式转变前的热导焊接阶段,金属材料已出现显著蒸发,而焊接模式转变后,蒸气羽辉的光谱保持不变。CO2激光焊接模式转变前,金属仅发生微弱的蒸发。深熔焊接时,蒸发显著加强,且蒸气部分电离。分析表明,CO2激光焊接时,蒸气电离形成等离子体,增加金属对激光的吸收,促进深熔焊接过程的建立。     

光学传感器对水下Nd:YAG深熔激光焊接过程检测的研究

水下激光焊接是一种用于核电站堆芯构件和压力容器的关键维修技术,本文对水下激光焊接产生的红外光辐射信号与焊接质量的关系进行了研究。实验结果表明,当工件表面的水深超过3mm时,一种蓝色的非金属等离子体将形成并对激光产生强烈的衰减,焊缝的熔深不到正常焊接条件下的1/20。利用气体喷嘴在工件表面形成局部于燥空间,研究了不同喷嘴直径、气体流量条件下光信号和焊缝质量的关系,得到了光信号的波动幅值与局部干燥空间的合适保护条件的关系。