Automated system for laser ultrasonic sensing of weld penetration

An on-line sensor is required for real-time control of penetration depth in robotic welding. Currently, no on-line techniques exist for direct penetration depth measurement. The development of a penetration control system will significantly reduce the costs associated with repairing or scrapping defective welds. Laser array generated ultrasound is a noncontact, nondestructive method that can potentially be used to measure weld penetration. This paper will discuss the design and implementation of an automated system that was used to measure the depth of simulated solidified welds. The system consists of a laser array generation source and an electromagnetic acoustic transducer (EMAT) receiver. Measured penetration results for the simulated weld are compared with the exact results. Experimental results will also be shown for array gain measurements in order to demonstrate the power of the array. This automated system is being modified in readiness for use in actual robotic welding.     

CO2激光-MIG同轴复合焊方法及铝合金焊接的研究

激光电弧复合焊接因其焊接效率高、间隙适应性好、焊缝成分和性能可控等优点正在成为工业生产中最重要的激光焊方法。与目前常用的旁轴激光电弧复合焊相比,激光电弧同轴复合可以在工件表面提供对称热源,焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。本论文介绍了作者研制的CO2激光与脉冲MIG同轴复合焊系统,以及用该系统进行的铝合金复合焊接实验。对焊接过程中的基本物理现象进行了观察和分析,测定了焊缝的熔深、熔宽和焊缝断面。结果显示,同轴复合焊可以提高电弧稳定性、提高熔化效率和改善焊缝成形。     

侧吹气体对不锈钢薄板CO2激光焊接过程的影响

为了研究侧吹辅助气体对CO2激光焊接过程的影响及其机理,在不锈钢薄板CO2激光焊接过程中,用高速数字摄像机拍摄了不同侧吹工艺参数下等离子体的动态变化过程。对比分析了侧吹工艺变化对等离子体行为和焊缝形貌的影响。结果表明:顶吹气流和侧吹气流的合流角约为40°时焊缝背面熔宽最大,喷嘴高度和流速变化对薄板激光焊接过程有显著的影响;薄板CO2激光焊过程中工件表面上方的等离子体云团有两种典型的形态,即焊透时出现体积较小的等离子体云团和未焊透时出现的体积较大的等离子体云团。     

激光与脉冲MIG复合焊接试验研究

本文研究了YAG激光-脉冲MIG电弧复合焊接铝合金的新工艺,设计制造了复合焊接几头,探讨了各种规范参数对焊缝成型的影响规律及激光与电弧的复合作用。结果表明,在比较宽的参数范围内YAG激光-脉冲MIG复合焊接铝合金焊缝成型美观,无气孔等缺陷,熔深与激光单独焊比增加4倍,与脉冲MIG焊接比增加1倍以上,焊速显著提高,是一种理想的焊接工艺。     

离焦量对高强钢激光填丝焊熔滴过渡特性的影响

为了研究离焦量对激光填丝焊熔滴过渡及相关特征的影响，获得稳定过渡模式，借助高速摄像系统观察了不同离焦量下的熔滴过渡行为，并将其分为液桥过渡、混合过渡和滴状过渡3种类型进行了分析。结果表明，离焦量为-1mm和+3mm时的液桥过渡模式可以保证焊接过程的稳定性，获得的焊缝质量良好，焊缝截面无气孔等缺陷；而离焦量为+5mm时的过渡模式为滴状过渡，此时焊接稳定性最差，焊接过程中匙孔会完全闭合，焊缝表面成形不规则，焊缝截面底部出现大的气孔。该研究结果对实际生产有指导作用。     

多级泵叶轮三维立体激光焊接成形

介绍了泵叶轮激光焊接的特点,阐述了多级泵叶轮激光焊接成形的T艺过程,分析了焊接接头的组织性能,通过不同焊接工艺的对比分析,论证了激光焊接成型的特点,认为：激光焊接的焊缝平整、连续,焊缝宽小于2mm,激光焊接深宽比大于1．0,线密封率达100%,保证了多级泵增压效果。     

激光焊缝质量控制的试验设计研究

本文采用试验设计方法研究了在一定激光束条件下,激光工艺参数对激光焊缝形状尺寸、背面温度等质量参数的定量影响,并建立了相关的数学模型.研究结果对于控制激光焊缝质量,优化焊接工艺条件具有指导意义.     

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。     

大功率碟片激光焊接状态多特征融合分析法

为了实现大功率激光焊接状态的实时检测,采用了基于传感器信号多特征融合进行焊缝成形预测的方法,以大功率碟片激光焊接304不锈钢为试验对象,应用分光仪获取焊接过程中的光谱分布,并用紫外波段和可见光波段高速摄像机采集金属蒸气视觉图像,对所提取的特征参量与焊接状态之间的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明,通过建立后向传播神经网络焊缝成形预测模型,取得了熔宽和熔深的预测绝对误差平均值数据分别为0.18mm和0.72mm。该方法能够准确反映熔宽及熔深的状态变化,这一结果对大功率激光焊接状态在线监测是有帮助的。     

激光焊接工艺对K418与0Cr18Ni9焊接接头性能的影响

为了研究激光焊接工艺对K418与0Cr18Ni9异种金属焊接接头性能的影响,采用金相显微镜对焊缝的金相组织和形貌进行了分析,评价了焊缝及周边的硬度和强度。结果表明,在激光焊接K418高温合金与0Cr18Ni9时由于母材热物性参量存在较大的差异,为保证焊缝质量,激光光斑应偏向0Cr18Ni9合金一侧;为了防止热裂纹和液化裂纹的产生,应该尽量延长熔池凝固时间同时减少热影响的热输入;当保护气体流量为12L/min时,对焊缝的保护效果最好,与Ar₂相比N₂能有效减少焊缝中气孔的含量,但也会降低焊缝性能;焊缝的硬度值位于两母材硬度之间,焊接接头的强度约为母材的89%。采用合适的激光焊接工艺可以实现K418合金与0Cr18Ni9较好的焊接效果。     

激光填丝焊接焊缝成形质量控制系统研究

研究了激光填丝焊接中相关的工艺参数对焊缝成形质量的影响。比较了对接间隙宽度发生变化时控制送丝速度或焊接速度两种情况下获得焊缝成形的质量。结果表明,间隙较小时调节送丝速度较好,间隙宽度较大时则调节焊接速度为佳。针对高精度焊接条件下焊缝成形质量控制要求,设计了一套以80c51单片机为核心的双单片机系统,该系统在焊接过程中可根据坡口间隙宽度选择性地实时调节送丝速度或焊接速度,以保证激光填丝焊接全过程获得良好的焊缝成形质量。     

低合金相变诱发塑性(TRIP)钢激光焊接的研究进展

系统地总结了低合金相变诱发塑性(TRIP)钢激光焊接的最新研究成果。重点介绍了在激光条件下TRIP钢焊缝中气孔的形成、熔化区的凝固过程、熔化区和热影响区的组织和性能。还介绍了TRIP钢与异种钢板的激光拼焊,TRIP钢的激光切割、激光钎焊和激光点焊。指出了今后TRIP钢激光焊接的研究方向。     

脉冲调制减小CO2激光焊接气孔倾向的研究

针对激光深熔焊过程中易出现的气孔问题 ,本文研究了激光焊接时脉冲频率对焊缝气孔倾向及焊缝成形的影响规律。利用自制的斩波盘式激光脉冲调制机构和 3kW快轴流CO2 激光器进行了 5mm低碳钢板的激光焊接 ,分析了不同脉冲频率条件下焊缝成形和气孔分布。结果表明 ,厚板连续激光焊接时 ,气孔倾向十分严重 ,在未焊透的焊缝中 ,气孔主要分布在焊缝的根部 ,而采用频率在 15 - 2 0Hz范围的脉冲激光焊接 ,能显著减少焊缝中的气孔     

Development of 3D Scanning System for Robotic Plasma Processing of Medical Products with Complex Geometries

This paper describes the development of an intelligent automated control system of a robot manipulator for plasma treatment of medical implants with complex shapes. The two-layer coatings from the Ti wire and hydroxyapatite powders are applied on the surface of Ti medical implants by microplasma spraying to increase the biocompatibility of implants. The coating process requires precise control of a number of parameters, particularly the plasma spray distance and plasma jet traverse velocity. Thus, the development of the robotic plasma surface treatment involves automated path planning. The key idea of the proposed intelligent automatic control system is the use of data of preliminary three-dimensional (3D) scanning of the processed implant by the robot manipulator. The segmentation algorithm of the point cloud from laser scanning of the surface is developed. This methodology is suitable for robotic 3D scanning systems with both non-contact laser distance sensors and video cameras, used in additive manufacturing and medicine.     

钢/铝异种金属预置Si粉的光纤激光焊接

Fe/Al难熔合、易生成Fe-Al脆性金属间化合物是钢/铝异种金属优质高效焊接亟待解决的技术难题。对厚度分别为5mm、6mm的低碳钢和铝合金板进行了对接处开设坡口、并在界面结合处预置Si粉的光纤激光焊接实验研究,通过调整焊接工艺参数和预置粉末得到成形良好的焊缝。利用卧式金相显微镜、电子显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪等设备对焊缝及母材区进行了观察与检测。结果发现:在激光功率为1.8～2.0kW,焊接速度8～10mm/s,离焦量-2.0mm,Ar为保护气体且流量为15L/min,光斑偏向钢侧距界面结合处0.2mm的工艺条件下,激光焊接钢/铝异种板材,可实现钢/铝熔合,焊接类型为热传导焊,焊缝区域晶粒细小,硬度高于两侧热影响区及母材,钢/铝结合界面分界线明显,界面处熔化金属互相扩散嵌入母材,呈齿轮式"啮合"态连接在一起。对钢/铝实施热传导焊,可有效控制熔池中Fe、Al熔化量;预置Si粉改善了焊池熔化态下的流动性,熔化金属易于在结合界面铺展,钢/铝焊缝区形成了结构稳定的Al9Si、Fe0.9Si0.1化合物,抑制了Fe-Al脆性金属间化合物的生成。     

光纤激光入射角对高强钢对接焊焊接性能的影响

研究了光纤激光入射角变化对车用高强钢(B340/590DP)对接焊焊接性能的影响\.采用前期试验得出的激光垂直入射状态下的最优焊接参数,在该最优参数条件下,利用4 kW光纤激光器进行了1.6 mm厚的双相B340/590DP不同入射角条件下的对接焊试验。分析入射角变化对焊接件外观形貌、焊缝截面、力学性能和微观组织的影响。试验结果表明：激光入射角小于40°时焊缝外观形貌良好,组织细密均匀,能承受较大的拉剪载荷且拉剪试验均断裂在母材区;入射角大于40°时,焊缝背面形成单边焊。     

高功率激光焊接汽车用高强钢B450LAD组织与性能

采用15 kW CO3激光器对1.8 mm厚的热镀锌薄板B450LAD进行了高功率激光焊接.对工艺优化后所得到的4组焊接工艺规范参数的焊接接头进行宏观与微观组织分析、显微硬度试验以及拉伸力学性能试验.结果表明,在激光功率5.8～12.9 kW以及焊接速度3～7 m/min参数下,1.8 mm厚13450LAD镀锌钢板均可获得成形良好、无缺陷的焊缝;焊缝截面呈上宽下窄的倒梯形,热影响区(HAZ)相当窄;焊缝熔化区组织均为马氏体、细晶区组织为少量马氏体和铁素体;其焊缝中心显微硬度约为母材(BM)的2倍;焊接接头具有良好的拉伸力学性能,且4种拉伸试样均断于母材处.实验的4组工艺参数可作为此钢材不同应用场合下高功率激光焊接的工艺参考.     

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。     

SiCp/6061Al金属基复合材料激光焊接研究

采用高能ＣＯ_２激光束对 ＳｉＣ颗粒增强 ６０６１铝基复合材料 ＳｉＣｐ／６０６１ＡＩＭＭＣ进行激光焊接、研究激光焊接工艺参数及填充材料对焊缝显微组织的影响。结果表明,对 ＳｉＣｐ／６０６１Ａｌ复合材料进行激光焊接,可以获得气孔很少、质量较高的焊接接头,但在激光直接熔化焊接焊缝中形成针状Ａｌ_４Ｃ_３脆性相,脆性相Ａｌ_４Ｃ_３的数量与尺寸随激光束功率密度增加而增大,随焊接速度增大而减少。激光焊接时加入０．３ｍｍ厚的金属钛片作为填充材料,在焊缝中形成ＴｉＣ增强相,从而抑制了脆性相Ａｌ_４Ｃ_３的形成。     

Al-Mg系铝合金脉冲激光焊接性能影响因素分析

为了研究铝合金表面状态和焊接工艺方法对焊接接头性能的影响,采用Nd:YAG脉冲激光器对Al-Mg系铝合金激光焊接方法进行了理论分析和实验验证,得到了焊接接头性能实验结果.结果表明,原始表面和碱蚀表面处理的试样焊接过程不稳定,阳极氧化试样焊接中形成了稳定的小孔效应,焊接过程较稳定;阳极氧化、两面焊、填粉焊都能有效提高焊缝熔深和深宽比;试样阳极氧化、双面焊、填粉焊可使焊缝抗拉强度提高1倍以上,其中Al-0.05Si填粉焊提升效果最好;表面处理试样硬度都有所提高,磷酸阳极氧化提高效果最好.双面焊工艺使焊缝和熔合区硬度提高,填粉焊焊缝中心硬度很低但熔合区硬度提高明显,双面焊、填粉焊热影响区硬度低于单面焊.阳极氧化表面处理、双面焊工艺可以有效地改善Al-Mg铝合金的激光焊接性.