火狐体育首页进入:激光焊接中依据锁孔和等离子体羽流的熔深相关性剖析

　　据悉，本文运用高速摄像机监测了锁孔和等离子体羽流的改变特征。剖析了锁孔面积（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）的时域和频域特征。

　　运用高速摄像机监测了锁孔和等离子体羽流的改变特征。剖析了锁孔面积（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）的时域和频域特征。协方差映射技能用于频率相关性。KA和CHPP在时域中具有不同的改变，在频域中具有类似的改变。主频坐落低频重量（0–4000 Hz）。部分穿透形式的均匀谱重心高于全穿透形式。低频重量具有很高的正相关性。研讨结果为热轧资料激光焊接的在线检测供给了依据。

　　激光焊接因为能量密度高、出产效率高、易于自动化和热变形小而广泛运用于现代工业。等离子体羽流和锁孔是等厚度激光焊接进程中的重要物理现象。等离子体羽流和锁孔的改变特性对焊接安稳性有很大影响。与等厚度激光焊接比较，特制轧制资料（TRM）激光焊接工艺愈加杂乱。为了更好地进步焊接进程的安稳性和焊接质量，激光焊接进程的熔透状况更需求监测。

　　工业出产中运用了许多浸透监测办法。依据监测方针，监测办法分为单传感器单方针监测、多传感器单方针监控和多传感器多方针监控三类。

　　有用牢靠的质量操控是激光焊接的关键问题。在选用激光技能的制造业中，对能够牢靠检测焊接缺点的在线检测体系的需求最近有所添加。近年来，很多的试验作业致力于了解焊缝熔深机理，尤其是在CO2和Nd:YAG激光焊接进程中。最近，Scintilla等人（2010）经过运用光学显微镜、形状剖析和机械测验，研讨了激光功率、焊接速度、焦点方位、喷嘴装备和维护气体流量等工艺参数对焊接质量的影响。

　　跟着摄像机技能的开展，除了频谱监测和声学监测外，高速摄像机在激光焊接进程监测中的运用越来越广泛。Zhang等人建立了带有辅佐光源的在线同轴监测体系。能够监控顶部和底部钥匙孔的巨细。最终，经过穿透率检测未彻底穿透、中等穿透和过度穿透的穿透状况。在部分熔透状况下，Abt等人（2011）标明，运用图画特征全熔透孔（FPH）的闭环操控适用于部分熔透焊接。在全穿透状况下，依据区域成长算法提出了FPH检测算法。研讨了不同参数对同轴图画质量的影响。Zhao和Qi（2016）研讨了FPH直径与焊接速度和激光功率的联系。

　　在线CCD辅佐视觉体系用于丈量穿透状况和熔体崩塌，以辨认直接和直接毛病。此外，还能够搜集相机支撑的图画，以检测焊缝中最细小的缺点。在线体系的丈量原理的特点是，在焊接进程中，锁孔区域、熔融区和基材之间存在显着的照明差异。因而，应剖析和考虑搅扰信号，以尽可能防止监测进程中的噪声效应。

　　在激光焊接镀锌钢的进程中，锌在激光的照耀下敏捷蒸腾，构成锌蒸气云。跟着工艺的进行，锌蒸气持续吸收激光能量并电离成锌等离子体。一起，部分维护气体和铁蒸气也被电离。虽然用于光纤激光小孔焊接的激光诱导等离子体的光发射比用于CO2激光小孔焊的弱，但熔焊进程的图画仍被等离子体和蒸汽屏蔽。

　　在本作业中，挑选了TC4钛合金。运用高速摄像机一起监测等离子体羽流和锁孔的改变和安稳性，剖析锁孔和等离子体羽流之间的联系。运用锁孔面积频率（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）剖析了穿透的相关性。在激光焊接进程中，经过频域相关剖析判别熔透形式。熔深相关性剖析为TRM激光焊接的在线检测供给了依据。未来的作业重点是研讨TRM激光焊接熔深形式实时闭环操控体系。

　　运用光纤激光体系（IPG Photonics；波长：1.07 μm；形式：TEM00；最大输出功率：4 kW）和电焊位移渠道，如图1所示。为了研讨锁孔和等离子体羽流怎么相互影响，运用Photons A4高速相机（帧速率：20 kHz）。在激光焊接进程中，等离子体羽流首要经过逆韧致辐射吸收激光能量，导致激光能量衰减。

　　图1 锁孔和等离子体羽流相关剖析的试验设备（a）试验设备示意图（b）线所示，匙孔的相片是运用高速相机拍照的。剖析了原始锁孔图画的灰度散布，选用固定阈值对锁孔图画进行切割，得到了锁孔的概括特征。随后，运用敞开算法消除熔池中的白点。然后，提取钥匙孔的概括，并核算KA。如图3所示，等离子体羽流图画被捕获，但包括热像素。因而，为了取得明晰的等离子体羽流图画，运用中值滤波器来削弱热像素。不一起间的等离子体羽流图画的灰度级之间存在较大差异。

　　图2 KA的特征剖析进程：（a）原始图画（b）中值滤波器（c）阈值切割（d）翻开操作（e）锁孔区域。

　　锁孔的图画由锁孔的概括特征和熔池镜面反射的白点组成，如图4所示。当剖析锁孔的动态改变特征时，消除了锁孔上白点的搅扰。作为锁孔的一种动态行为，KA的改变常被用来描绘锁孔的改变特征。在不同的穿透形式下捕获了锁孔的动态特性，如图5 所示。

　　发现均匀KA随激光功率的添加而添加。可是，当激光功率到达1000 W时，均匀KA下降，如图6(b)所示。这是因为锁孔深度跟着激光功率的增大而增大，在1000 W的激光功率下穿透工件，构成了穿透孔。在等离子体羽流反冲压力和熔池表面张力的一起效果下，与部分熔透形式比较，锁孔缩短，KA减小。锁孔等离子体随激光功率的增大而增大，等离子体羽流的反冲压力再次增大，KA随之增大。

　　两个区域之间的鸿沟很含糊，两个区域的等离子体羽流密度显着不同。依据CHPP动摇特性的办法被用于剖析等离子体羽流的瞬态改变。

　　发现等离子体羽流的周期不同。等离子体羽流的周期分为三个阶段：添加阶段、别离阶段和散失阶段。在添加阶段的初期，等离子体羽流首要是金属蒸气，不会构成很多的电离等离子体。跟着激光照耀时刻的添加，电离等离子体的数量和密度添加。在添加阶段结束时，等离子体羽流密度最大，且等离子体羽流的密度超越激光屏蔽的阈值，然后激光束被屏蔽。

　　因而，剖析了不同穿透形式下CHPP的改变特征。CHPP的时域改变特征和均匀CHPP的改变趋势别离如图9（a）和（b）所示。如图9（a）所示，跟着激光功率的添加，均匀CHPP的改变趋势开始减小，然后添加。图9（b）表明1000的激光功率 W是改变趋势的转折点，反映了激光焊接的不同熔透形式。

　　部分熔透形式激光焊接期间（激光功率：800–900 W） KA的改变趋势与CHPP的改变趋势相反，即跟着激光功率的添加，KA添加，但CHPP下降。其原因是，CHPP由锁孔的倾角β和激光束的照耀方位A决议。激光束和锁孔的前壁在A处相交。点A坐落气液界面的努森层中。当努森层中气化颗粒的压力超越环境压力时，气化颗粒垂直于锁孔前壁喷出，并向外发生方向力，如图10（a）所示。

　　当工件被过度穿透时，图画中会有一个区域，其间光强度在锁孔中心处下降；咱们将该区域称为衰减区域。假如衰减区域太大，焊道会下沉。因而，衰减区域的巨细与焊接质量有关。能够经过核算衰减区域的巨细来监控镀锌钢的深熔激光焊接的质量。

　　显着，频谱被划分为低频重量（0–4 kHz）和高频重量（4–10 kHz）。低频重量是频谱中的首要频率重量。在低频重量中，当激光功率等于或小于900 W、工件未彻底穿透。可是，当激光功率添加到1 kW及以上时，工件被穿透，频率振幅添加。全穿透形式下的频率振幅高于部分穿透形式。

　　经过对KA的时域剖析，提醒了不同激光功率下均匀KA的改变趋势。可是，KA的频率特性是经过频域剖析来剖析的。因而，经过运用傅里叶改换对KA的时域特性进行改换，以剖析KA的频域特性。跟着频率的添加，频率振幅减小，KA改变安稳。如图12所示，幅频图分为三个区域：第一个频率重量坐落0–500规模内 Hz，第二频率重量坐落500-4000规模内 Hz，第三频率重量坐落4000–10000规模内 赫兹。

　　CHPP的频域特性与KA类似。CHPP在0–4000规模内的频率振幅能量 Hz约占总振幅能量的70%。不同穿透形式下CHPP的主频首要会集在低频重量。4000以下CHPP频率的振幅能量 如图13（a）和（b）所示，全穿透形式下的Hz高于部分穿透形式下。CHPP频率改变特性的原因与KA类似。

　　部分穿透形式的均匀谱重心高于全穿透形式。在KA的频域特性中，不同穿透形式下的均匀谱重心之间的差异很小。可是，在CHPP的频域特性中，这种差异是显着的。与部分穿透形式比较，全穿透形式下低频重量的振幅能量较高。

　　依据前面章节中的频域剖析，KA的频域特性与CHPP的类似，别离如图12和图13所示。因为激光功率对KA和CHPP有显着的影响，因而选用协方差法剖析了不同穿透形式下KA频率和CHPP频率的相关性。不同穿透形式下KA和CHPP的频率协方差系数如图15所示。当协方差系数超越0.7时，KA和CHPP的频率高度正相关。

　　在部分穿透形式下，KA的频率与CHPP的频率高度相关，如图16所示。低于1500的KA频率 Hz与CHPP的相关性较小。低频重量中KA的频率受锁孔不安稳性和熔池区域的频率共振的影响。KA与CHPP的相关性不显着。

　　全穿透形式下KA和CHPP之间的相关性小于图17所示的部分穿透形式。在全穿透形式中，KA的频率低于2000 Hz与CHPP呈高度正相关，且频率的相关区域涣散。工件被穿透。锁孔和穿透孔一起存在。CHPP的改变与KA和穿透孔的改变有关。全穿透形式下KA和CHPP之间的相关性小于部分穿透形式。研讨发现，KA频率与CHPP频率之间的相关性随穿透形式的不同而改变。

　　Xu-dong等人深入研讨了CO2激光焊接进程中小孔的同轴监测。建立了CO2激光焊接熔透状况同轴监测体系，对激光深熔透的各种熔透状况进行了分类。论述了“熔池熔透”和“中等全熔透(锁孔熔透)”的焊接条件和焊缝构成。研讨了平面平板激光焊接进程中焊接工艺参数和熔透状况对同轴光信号的影响。结果标明，跟着热输入的添加，当熔透状况由“熔池熔透”变为“中等彻底熔透”时，信号强度的斜率改变最大。M. Doubenskaia等研讨了Nd:YAG激光搭接进程中不同厚度镀锌钢板的表面温度，建立了不同厚度镀锌钢板在不同空隙条件下搭接的表面温度与焊接质量之间的联系。Matsunawa等人运用视觉传感技能和Ar+激光器作为辅佐光源研讨了钥匙孔的动态行为。Ar+激光器能有用地下降等离子体的搅扰，捕获成像信号。可是，因为熔池和锁孔的图画不是同轴捕获的，所以是斜的，所以不能彻底观察到锁孔。Cheol-Hee Kim等人建立了Yb:YAG激光焊接的同轴监测体系，并在不同的曝光时刻下，在运用不同带通规模的滤波器时，捕捉了不同焊接速度下搭接钢和不锈钢的熔池图画。

　　如上图所示，运用蓝色窄带滤波器捕获的焊缝区域的图画较含糊，而且无法正确显现焊池概括。运用绿色窄带滤光片和赤色窄带滤光片拍照的图画相对明晰，更能反映锁孔和焊池的二维描摹。经过比较图画b与图画c，能够观察到图画b中的焊池和锁孔比图画c更明晰，图画b能够更直接地反映焊接区域和锁孔。因而，与运用赤色或蓝色窄带滤波器捕获的图画比较，运用绿色窄带滤光片捕获的图画质量是最好的。

　　激光功率为1000 W是一个转折点，影响了KA和CHPP的改变趋势。匙孔的歪斜视点和激光束的照耀方位随激光功率而改变。在部分穿透形式下，跟着激光功率的添加，均匀KA添加，均匀CHPP下降。在全浸透形式下，CHPP的改变趋势与KA类似。

　　在低频重量中，全穿透形式下KA和CHPP的频率振幅高于部分穿透形式下的频率振幅。部分穿透形式的均匀谱重心高于全穿透形式。

　　在部分穿透形式下，KA的频率规模为1500–2600 Hz与CHPP具有高度正相关，在全穿透形式下，KA频率低于2000 Hz与CHPP具有高度正相关。经过激光焊接进程中的不同相关性来判别熔透形式。来历：10.1016/j.jmatprotec.2018.01.032