TC4鈦合金光纖激光深熔焊多信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shì)而得到迅速發(fā)展，促進(jìn)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(guò)程不穩(wěn)定，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)激光焊接過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)于保證激光焊接質(zhì)量及加深對(duì)激光焊接本質(zhì)的認(rèn)識(shí)具有重要意義。
　　等離子體、小孔和熔池是深熔焊過(guò)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(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為激光焊接過(guò)程及質(zhì)

2、量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TC4鈦合金光纖激光焊接過(guò)程中等離子體和熔池的紫外光信號(hào)、可聽(tīng)聲信號(hào)、近紅外信號(hào)以及視覺(jué)圖像的采集?；谶@些采集信號(hào)，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(hào)對(duì)焊縫熔深和熔池表面尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)的數(shù)理模型，并建立了對(duì)部分焊接缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別的有效判據(jù)。
　　研究發(fā)現(xiàn)，TC4光纖激光焊時(shí)，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(shí)有時(shí)無(wú)。正背面等離子體的變化是一個(gè)周期不穩(wěn)定的過(guò)程，紫外光信號(hào)頻譜圖中不存在明顯的主頻峰，本試驗(yàn)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(duì)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(dòng)和波動(dòng)特征。熔池正背面近紅外光輻射信號(hào)由直流和波動(dòng)兩部分組成，直流部分

4、表征熔池的紅外輻射，波動(dòng)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(duì)熔池信號(hào)的干擾。
　　基于聲光信號(hào)的時(shí)域及頻域分析，針對(duì)小孔穿透與未穿透兩種情況下，分析了不同焊接參數(shù)對(duì)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(qiáng)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(hào)和熔池特征信號(hào)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(hào)和可聽(tīng)聲信號(hào)

5、對(duì)熔深進(jìn)行監(jiān)測(cè)的關(guān)系模型，以及利用熔池近紅外光信號(hào)對(duì)熔池尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)的關(guān)系模型。
　　通過(guò)和良好的激光深熔焊過(guò)程進(jìn)行比較，從時(shí)域和頻域兩方面分析了存在未焊滿(mǎn)、錯(cuò)邊和未熔合這三種問(wèn)題時(shí)的聲光信號(hào)變化特征，并根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果建立了對(duì)相關(guān)缺陷進(jìn)行識(shí)別的有效判據(jù)。
　　本文的研究成果對(duì)激光焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)用化提供了技術(shù)指導(dǎo)，并為今后進(jìn)一步實(shí)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(dòng)激光焊接技術(shù)在各領(lǐng)域更廣泛和有效