TC4鈦合金光纖激光深熔焊多信號實時監(jiān)測研究.pdf

1、目前鈦合金和激光焊接在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)激光器相比，光纖激光器由于其在功率水平和光束質(zhì)量等方面的優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展，促進了激光焊接技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。而由于多因素的影響，容易導(dǎo)致激光焊接過程不穩(wěn)定，利用實時監(jiān)測技術(shù)對激光焊接過程進行研究，對于保證激光焊接質(zhì)量及加深對激光焊接本質(zhì)的認識具有重要意義。
　　等離子體、小孔和熔池是深熔焊過程中典型的物理現(xiàn)象，它們的行為共同決定了焊接結(jié)果，對這些現(xiàn)象進行監(jiān)測成為激光焊接過程及質(zhì)

2、量實時監(jiān)測的基礎(chǔ)。本課題利用傳感器及信息處理技術(shù)，構(gòu)建了聲光信號實時監(jiān)測系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)，實現(xiàn)了對TC4鈦合金光纖激光焊接過程中等離子體和熔池的紫外光信號、可聽聲信號、近紅外信號以及視覺圖像的采集?；谶@些采集信號，深入研究了等離子體和熔池基本特征及其與焊接參數(shù)的關(guān)系，獲得了利用聲光信號對焊縫熔深和熔池表面尺寸進行監(jiān)測的數(shù)理模型，并建立了對部分焊接缺陷進行實時識別的有效判據(jù)。
　　研究發(fā)現(xiàn)，TC4光纖激光焊時，正面等離子體不存在

3、熄滅現(xiàn)象，背面等離子體則跟隨背面小孔時有時無。正背面等離子體的變化是一個周期不穩(wěn)定的過程，紫外光信號頻譜圖中不存在明顯的主頻峰，本試驗條件下，正面等離子體的頻率主要集中于900Hz以下，背面等離子體頻率主要集中于500Hz以下，小孔穿透與否對其頻率分布特征影響較小。
　　根據(jù)熔池高速圖像分析了典型TC4鈦合金光纖激光深熔焊熔池的形貌和溫度分布特征，以及熔池的流動和波動特征。熔池正背面近紅外光輻射信號由直流和波動兩部分組成，直流部分

4、表征熔池的紅外輻射，波動部分表征高頻振蕩的等離子體的紅外輻射，文中采用低通濾波以濾除等離子體對熔池信號的干擾。
　　基于聲光信號的時域及頻域分析，針對小孔穿透與未穿透兩種情況下，分析了不同焊接參數(shù)對等離子體及熔池特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，主要是激光能量密度決定等離子體的強弱，焊接速度則主要決定母材熔化量。
　　文中深入分析了等離子體特征信號和熔池特征信號分別與熔深和熔池尺寸之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立了利用等離子體紫外光信號和可聽聲信號

5、對熔深進行監(jiān)測的關(guān)系模型，以及利用熔池近紅外光信號對熔池尺寸進行監(jiān)測的關(guān)系模型。
　　通過和良好的激光深熔焊過程進行比較，從時域和頻域兩方面分析了存在未焊滿、錯邊和未熔合這三種問題時的聲光信號變化特征，并根據(jù)本文試驗結(jié)果建立了對相關(guān)缺陷進行識別的有效判據(jù)。
　　本文的研究成果對激光焊接過程實時監(jiān)測技術(shù)的實用化提供了技術(shù)指導(dǎo)，并為今后進一步實現(xiàn)激光焊接質(zhì)量的閉環(huán)控制做好了理論和應(yīng)用技術(shù)準(zhǔn)備，推動激光焊接技術(shù)在各領(lǐng)域更廣泛和有效