非穿透激光深熔焊熔深与等离子体光信号的关系

对于非穿透激光深熔焊而言 ,焊接熔深是最重要的质量参数之一 ,对其进行实时监测具有重要意义。通过采集和分析激光焊接过程中等离子体光信号以探索焊接熔深的实时监测技术。研究结果表明 ,当激光功率不变时降低焊接速度 ,或焊接速度不变时提高激光功率 ,在焊缝熔深加大的同时 ,采集到的等离子体光信号强度亦呈明显上升趋势 ;在工艺参数不变的同一焊缝内 ,对应焊缝光信号的频谱图中存在明显主频 ,且随着焊接线能量的提高 ,主频率下降 ;同一焊缝内由于某些不稳定因素导致局部焊缝熔深变化超过 8%时 ,等离子光强明显下降 ,而对应该段信号的幅值谱不存在明显主频率。     

激光焊接体能量及其对激光深熔焊缝熔深的影响

定义焊接体能量用来综合评价激光焊接过程中激光功率、焊接速度、离焦量及焦点尺寸等焊接工艺参数对激光深熔焊接过程的影响,并分析了焊接体能量对激光深熔焊缝熔深的影响.焊接体能量与激光功率成正比、与焊接速度成反比、与离焦量成四阶指数关系,与焦点尺寸成平方关系.结果表明,在激光深熔焊接过程中,焊接体能量决定焊缝熔深;随着焊接体能量的增大,焊缝熔深近似呈线性增大.     

基于声发射多特征融合的搅拌摩擦焊缺陷监测

搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一个多物理场耦合过程,焊接过程中声发射信号与焊接缺陷具有关联性. 基于声发射检测与多特征融合研究FSW缺陷监测方法,实时检测固态介质中的声发射信号,利用短时傅里叶变换、小波变换、梅尔频谱对声发射信号进行分析,确定焊接缺陷与声发射信号之间的相关性,最后通过concat融合方法构建多特征向量. 结果表明,FSW在预制缺陷处具有不同的声发射信号特征. 短时傅里叶、小波变换的主要频段集中在20 kHz,出现缺陷时功率分别达到?40,0.8 dB以上,梅尔频谱的主要频段集中在3.5 kHz出现缺陷时功率达到?40 dB以上. 应用多层神经网络分别建立基于单特征、多特征向量的焊接缺陷识别模型,多特征向量的焊接缺陷识别模型在数据集中的平均识别率达到97%,比基于单一特征缺陷识别模型提高18%. 研究的多特征缺陷识别模型能更准确地对焊接状态进行识别与监测.     

激光-微束等离子弧复合焊接过程的结构负载声发射信号表征

采用脉冲YAG激光焊、微束等离子弧焊和激光-微束等离子弧复合焊对304不锈钢进行焊接试验,实时采集焊接过程中的结构负载声发射信号,研究声发射信号对焊接过程的表征. 结果表明,激光离焦量为-2 mm的激光-微束等离子弧复合焊接,热源复合效果更好,焊缝表现出更显著的复合热源焊接特征. 焊缝获得了更好的表面成形和熔深、熔宽. 热源复合效果更好的焊接过程,其声发射信号波形表现出更大振幅,且更为均匀,并与激光热源的周期性相符,呈现出明显的复合热源焊接周期性. 因此可以利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号表征激光和微束等离子弧两种热源复合效果特征.     

激光焊接特性转变过程的光学特征信号检测

对Nd:YAG激光束与Al合金相互作用产生的光学信号进行了研究,并开发了一套可对光信号进行提取和分析的检测系统.在同一条焊缝上焊接速度保持恒定,使激光功率线性增加,检测激光焊接过程中从焊缝表面刚开始熔化到全熔透的整个过程的光学信号.利用金相显微镜和扫描电镜确定焊缝横截面的特征量.试验结果表明,焊缝横截面的特征量同光学信号具有较好的匹配关系.为激光焊接过程中的通过光学信号对焊缝成形的在线控制奠定基础.此外本文对表面熔透、表面反射率和熔池曲率对光信号的影响作了解释和分析.     

铝锂合金YAG-MIG复合焊焊缝成形特征

基于铝锂合金激光电弧复合焊焊缝成形特征的分析,对5A90铝锂合金YAG-MIG复合焊接工艺展开研究.固定选取合理的焊接位置条件下,讨论了激光功率、焊接速度、焊接电流和热源作用间距等主要焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律.结果表明,两热源间距在0～6mm之间时有较好的复合效应;激光功率的增加对增大焊缝熔深和背面熔宽起主导作用;焊缝正、背面熔宽随着焊接速度的提高均明显减小,熔深亦有减小趋势;焊接电流加大时,焊缝熔深和熔宽显著增大.     

激光-GMAW复合焊接电弧热源形式对焊接过程参数及焊缝形态的影响

激光-脉冲GMAW复合焊接和激光-连续GMAW复合焊接两种热源形式在复合焊接中使用范围广,应用前景好.系统研究这两种热源形式和脉冲GMAW焊接以及连续GMAW焊接在焊接过程中的电参数变化特征及焊缝的形状尺寸.结果表明,激光-脉冲GMAW复合焊接中电参数平稳,焊接过程稳定,可有效地促进熔滴过渡,并且获得的焊缝尺寸较理想,熔深大、余高小,但激光功率3000W的复合焊接短路时电参数波动性增大.     

CO2激光焊接的同轴检测与熔透控制(Ⅱ)熔透状态同轴光信号的频域分析

利用CO2激光深熔焊等离子体光信号的同轴检测系统,提出了频谱重心的概念井以此来分析等离子体光信号的频谱特性,研究了平扳焊接时对应适度熔透状态时同轴光信号的顿域特征。结果表明,随激光功率增加或焊接速度减小,当焊接熔透状态从“适度熔透(小孔透)”变化到“仅熔池透”时对应2～6kHz段频谱重心位置向上(高额)跳变。     

激光辅助TIG焊方法

针对TIG焊熔深浅、效率低的不足,开发了激光辅助TIG焊接方法,研究了激光速度、氧气流量、激光功率对熔深的影响规律.结果表明,氧气流量对熔深影响不大,激光速度越小熔深越大,激光功率越大熔深越大,并且经激光处理后焊缝熔深可增加.     

国产厚板大功率激光填丝焊Y形焊缝的焊接工艺性

大功率激光的高功率密度特征使其成为船用大厚度材料高效焊接最有前景的方法之一.试验完成了10mm和12mm国产船用材料高功率CO2激光填丝焊的工艺设计,分析了焊接过程的光致等离子体行为.结果表明,当功率在13kW以上时随着焊缝熔深的增加斜率明显变缓;对于焊透的焊缝,仅仅用熔宽和熔深不能充分表征焊接参数对焊缝截面的影响;试验建立了激光填丝焊Y形焊缝形态模型,将Y形焊缝抽象成上半部分为梯形,下半部分为长方形的组合图形;在激光功率和焊接速度保持不变的条件下,研究了送丝速度和焊缝间隙变化时焊缝截面形态的变化规律.     

焊缝偏差RBF神经网络预测算法

以10 kW大功率光纤激光焊接304奥氏体不锈钢板为试验对象,研究一种焊缝偏差预测算法.利用红外摄像机摄取焊接过程中的熔池红外图像,提取匙孔质心、匙孔形状参数和热堆积效应参数等反映激光束与焊缝位置偏差的特征量作为径向基函数RBF神经网络预测模型的输入量,建立焊缝偏差RBF神经网络预测模型.选择焊缝偏差特征量作为训练样本并对预测模型进行训练,建立焊缝偏差预测模型.结果表明,该模型能够对大功率光纤激光焊接过程中的激光束与焊缝位置之间的偏差进行有效预测.     

YAG/MAG激光电弧复合焊工艺研究

利用YAG激光焊头和MAG焊枪旁轴复合进行了1Cr18Ni9Ti不镑钢的激光电弧复合焊工艺研究。研究表明：影响复合焊过程的主要工艺参数有激光功率、焊接速度、焊接电流、电弧电压、激光焦点位1、两热源的间距和相对于焊接方向的排列方式等；在一定的焊接工艺条件下所研究的YAG／MAG复合焊具有协同效应。电弧参数测试也表明，当激光与电弧复合的协同效应存在时，复合焊电流高于电弧焊，而电弧电压降低；若电弧采用过大的焊接电流与激光复合，尤其是在较低的焊接速度时，复合焊过程体现不出协同效应．复合焊熔深反而低于激光焊熔深。复合焊激光焦点位置变化对电弧稳定性和熔宽影响小，但获得最大熔深的焦点位王不同于激光焊。激光前置焊比激光后置焊获得的熔深大，两种条件下均在两热源闻距为0.5mm时熔深最大。     

Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊工艺参数对焊缝成形的影响

以304不锈钢为对象,借助焊缝成形参数来评价YAG激光+CMT电弧复合热源横焊焊缝的成形特征,研究了Nd:YAG激光+CMT复合热源横焊过程中焊接工艺参数对焊缝成形的影响.结果表明,在CMT电弧焊接中加入激光可以改善横焊焊缝成形;在激光能量和焊接电流一定时,光丝间距存在一个最佳匹配,使得Nd:YAG激光+CMT复合热源横焊焊缝成形良好;与其它复合热源焊接相对比激光功率对熔深影响较大,对横焊焊缝成形的影响程度与焊接电流有关;焊接速度对横焊焊缝成形影响显著;离焦量对横焊焊缝成形影响较小;电弧功率对横焊焊缝的偏离度影响显著.     

低碳钢激光预熔活性焊接法

以8 mm厚的低碳钢为研究对象,在氧气的保护下,用小功率光纤激光在待焊焊件表面进行预熔处理,使表面熔化生成一层氧化层,然后用TIG焊或激光电弧复合焊覆盖氧化层,研究工艺参数对焊缝成形的影响.结果表明,激光预熔后进行覆盖焊接,电弧没有收缩,熔深增加到1.5倍左右,表面成形良好.随着电流的增加,熔深增加,但激光预熔后的焊道增加更快.随着焊接速度的增加,熔深减小.随着激光预熔功率的增加,熔深增加.随着复合焊接中激光功率的增加,熔深增加.焊缝含氧量的增加,使得表面张力温度系数由负变正,是低碳钢激光预熔活性焊接熔深增加的主要原因.     

Spectroscopic monitoring of penetration depth in CO2 Nd:YAG and fiber laser welding processes

A method for on-line monitoring of the joint penetration depth is reported, based on the spectroscopic analysis of the optical emission collected from laser-metal interaction zone. This technique has been applied to quite diverse welding procedures (c.w. CO₂ laser, cw fiber laser and pulsed Nd:YAG laser) of stainless steel plates. Although the acquired spectra reveal different characteristics according to the employed laser source, a discrete contribution of several iron lines can be highlighted in both types of investigated welding processes. Starting from the measurement of the intensities of those lines it is possible to calculate the plasma electron temperature, which was found to decrease as far as the laser power is enhanced together with the penetration depth, in static as well as dynamic conditions. Such a behavior does not correspond to a real decrease of the plasma plume temperature but has to be ascribed to the position of the optical collimator collecting light only from the top of the keyhole. Indeed, for deeper penetrations the hottest core of the plume moves down into the vaporized capillary so that the plasma temperature measured on top of the keyhole appears lower at higher incident powers. The electron temperature signal could be useful for the development of a feedback loop system of the laser power to control the weld penetration depth.     

基于闪光声音信息的钢轨焊接接头质量分析

针对移动式钢轨交流闪光焊装备,采用LabVIEW语言编制了钢轨交流闪光焊声音信息采集软件,采集了钢轨焊接接头焊接过程信息,对降噪处理后的闪光声音信号采用四种时频分析方法进行了对比分析,确定了闪光声音信息的最佳分析方法——STFT时频分析方法,在此基础上,提出了闪光声音信号加权平均频率和能量谱密度的算法,编制了相关分析计算软件,计算得到了26个焊接接头时间-能量谱密度关系和时间-闪光声音信号加权平均频率关系曲线,将曲线与焊接接头冲击断口缺陷面积进行对比分析,初步得到了钢轨闪光焊低压烧化后期及加速烧化两个阶段的能量谱密度、闪光声音信号加权平均频率与闪光焊接头灰斑缺陷之间的对应关系,即灰斑缺陷小的焊接接头在低压阶段后期以及加速烧化阶段具备两个特征:能量谱密度逐步提高,没有出现200%以上的突变;闪光声音信号加权平均频率在低压前期的基础上提高约20%以上,在加速阶段增加逐渐平缓,且不出现下降.