大功率光纤激光焊接熔池特征提取技术研究

本文针对大功率光纤激光焊接不锈钢板紧密对接焊缝,建立了一个熔池动态信息的近红外图像检测系统,用于焊接熔池视觉信息的采集。应用可见光波和红外光波段滤光组合技术解决了焊接过程中飞溅、等离子体和红外辐射的干扰,在近红外高速摄像机获取清晰的熔池区域图像的基础上,研究了大功率光纤激光焊接熔池图像特征的提取方法,为焊缝跟踪和焊接质量控制提供可靠的视觉信息检测。     

激光焊接偏差识别的神经网络模型试验研究

激光焊接偏差识别是保证激光焊接质量的关键技术,本文研究一种用于识别激光束与焊缝位置偏差的BP神经网络模型。在大功率光纤激光焊接试验条件下,利用高速红外摄像机摄取焊接区域熔池图像,分析激光束与焊缝对中及偏离所对应的红外辐射瞬态特征。通过图像处理增强熔池图像,计算熔池特征参数（熔池匙孔特征参数、匙孔质心值、热堆积效应参数）以及相对应的焊缝与激光束之间的偏差值,将其输入所设计的神经网络进行网络权值参数的训练,建立基于BP神经网络且具有一定环境适应能力的焊缝偏差模型。试验结果表明,该模型能够反映熔池特征参数与焊缝偏差之间的规律,可实现较精确的焊缝偏差识别。     

工艺参数对汽车用镁合金激光焊接接头组织和性能的影响

采用激光焊对NZ30K镁合金进行焊接,研究了激光功率、焊接速度和热输入对镁合金激光焊接接头组织和性能的影响。结果表明,随着激光功率的增加,镁合金正面熔宽变化不大,背面熔宽增加。镁合金焊缝正面和背面熔宽随着焊接速度的增加而减小。随着焊接热输入量增加,镁合金焊接接头抗拉强度增加。焊缝熔透后,抗拉强度随热输入增加变化不大,最大抗拉强度达到母材强度的79.8%。     

Ni-Ni_3Si过共晶合金的电子束焊接焊缝成形研究

对2 mm厚的Ni-Ni_3Si过共晶合金板材进行了电子束焊接。分析了电子束焊接过程中焊接速度和束流大小对焊缝成形的影响,研究了焊接热输入保持恒定时,束流大小与焊接速度对焊缝成形的贡献。在该研究范围内,随着焊接束流的增加,焊缝正面熔宽、背面熔宽和背宽比均增加,焊缝形貌由酒杯状向梯形转变;随着焊接速度的增加,焊缝正面熔宽、背面熔宽和背宽比均减小,焊缝形貌由梯形向酒杯状转变;固定焊接热输入,随着焊接规范的增大,焊缝正面熔宽减小,背面熔宽和背宽比增大。     

电子束定点焊接304不锈钢熔池流动行为数值模拟

基于电子束焊接过程的传热与受力物理过程分析,建立相应模型,对电子束定点焊接304不锈钢的温度场与流场进行数值模拟,研究电子束焊接熔池流动行为及焊缝成形规律.结果表明,电子束加热阶段,熔池上表面温度梯度达到106 K/m,熔池表面峰值温度高,在沸点温度附近波动,强烈的金属蒸汽反作用力成为熔池流动的主要作用力,促使熔池中心下凹并不断波动,熔池冷却凝固阶段,金属蒸汽反作用力下降,熔池金属表面张力梯度引起的Marangoni对流成为熔池金属流动主要驱动力,促使焊缝表面熔宽增大,熔池凝固后焊缝上表面宽度为1.9 mm,中心处宽度为1.6 mm,下表面宽度为1.8 mm.     

TA15合金激光焊接熔池形貌及温度场分析

熔池作为所有熔焊工艺的最主要研究对象,其特征决定了最终焊缝成形质量.利用高速摄像系统对焊接过程中的熔池进行实时监测,可获得熔池在任意时刻的热图像.通过对TA15钛合金激光焊接熔池热图像进行分析计算,得到熔池的一系列特征量(主要有熔池宽度和熔池长度),重点分析了激光焊接热输入(单位厚度焊接线能量)与熔池特征量间的关系以及温度场的特点.结果表明,熔池长度和熔池宽度都随焊接热输入的增加而增加,并基本呈线性增长;焊接速度减小时,熔池宽度和熔池长度都随之增大,并且熔池长度增大得更快;激光功率减小时,熔池宽度和熔池长度随之减小.熔池内部温度分布较不均匀,尤其是过热液态区域.     

304不锈钢薄板脉冲激光焊焊接热过程数值分析

针对不锈钢薄板脉冲激光焊接的特点,基于有限元分析软件ANSYS,对0.5 mm厚的304不锈钢薄板脉冲激光焊接的热过程进行三维数值动态模拟.建模时采用实体单元和表面单元结合,并采用焊缝处细密、远离焊缝处粗略的不均匀网格,除了施加整体与外界的对流散热条件外,还考虑了工件与夹具之间的传导换热,分析了焊接温度场在工件上的分布规律及工艺参数对焊缝成形的影响,并据此提出了提高不锈钢薄板激光焊焊接接头质量的方案.计算结果表明,熔池的尺寸随输入能量的变化较为明显,在激光加热0.05 s后材料开始熔化,熔池呈现大幅度增长趋势;焊接速度对熔深和熔宽的影响较为显著,熔宽随焊接速度的增加而逐渐减小,熔深几乎与焊接速度成反比,当焊接速度约为0.4 m/min时,熔深为0.5mm以上,工件熔透,且深宽比可达到2∶1.计算所得熔池大小与试验结果基本吻合.     

焊接速度对AZ31镁合金TIG焊焊接接头微观组织和力学性能的影响

研究了厚度为5 mm的AZ31镁合金板的钨极氩弧焊焊接性能,分析了焊接速度对焊缝微观组织和拉伸强度的影响。结果表明,AZ3镁合金TIG焊焊接热输入随着焊接速度的降低而增大,加大了焊缝熔深和熔宽,有效提高了接头的力学性能。随着焊接速度降低至70 mm/min,过大热输入导致了熔合区晶粒的粗化,并且增大了第二相(β-Mg17Al12)的尺寸与体积分数,降低了接头强度。     

基于红外传感的焊缝熔宽测量系统开发

焊缝熔宽是表征焊接质量的重要指标,焊缝熔宽的在线检测是焊接自动化生产的必然要求。采用红外温感相机对焊接过程中的焊缝温度进行实时采集,基于Lab VIEW软件开发焊缝熔宽测量系统。系统自动读取红外温感相机采集到的焊缝温度数据,基于相关算法计算出焊缝熔宽,进而绘制出焊缝熔宽实时变化曲线,以此在焊接过程中判断焊缝质量。试验表明,开发的红外熔宽测量系统可实现对焊缝熔宽的准确测量和在线监测。     

激光焊接质量实时检测技术的研究现状

从检测信号和内容两个方面介绍了国内外激光焊接质量实时检测技术的研究现状。用于检测的信号主要有可听声波、超声波、紫外辐射、可见光、红外辐射、等离子体电信号以及机器视觉等，分析了每种信号的优缺点；目前实时检测的内容主要有焊接过程的稳定性、装配质量、离焦量、焊缝熔深和表面形貌、熔池与小孔的形态等。     

大功率光纤激光焊熔透状态模糊聚类识别方法

熔透是评价激光焊接质量的重要因素,但在焊接过程中难以直接检测熔透状态.以大功率光纤激光焊接304不锈钢紧密对接焊缝为试验对象,研究一种基于熔池红外热像的熔透状态识别方法.采用红外摄像机摄取焊接区域熔池动态图像,提取熔池特征量,应用模糊聚类算法分析熔池特征量与熔透状态之间的关系,使用模糊C-均值（FCM）和Gustafson-Kessel（GK）两种模糊聚类法建立熔透状态识别模型.激光焊接试验结果表明,熔池表征与熔透状态之间存在密切关联,通过GK模糊聚类算法建立的模型对熔透状态能达到78%以上的识别率,为大功率光纤激光焊接过程熔透状态的识别和控制提供试验依据.     

激光焊接不锈钢微间隙焊缝偏差角点检测法

针对大功率(10 kW)光纤激光焊接304不锈钢紧密对接微间隙焊缝(焊缝间隙小于0.1 mm),通过高速像机摄取熔池近红外热像并分析其特征,分析和处理熔池热像特征,提取激光束偏离焊缝位置的信息,探索激光束与焊缝偏差的信息表征.利用激光深熔焊的匙孔效应,研究焊缝在固态与液态交界处不稳定边缘特征点,提出一种角点检测法实现微间隙焊缝偏差的检测.结果表明,熔池红外热像角点密集分布中心与焊缝偏差有密切的关系,通过角点分布密度可以有效判断焊缝偏差状态.     

激光-电弧复合焊接咬边缺陷分析及抑制方法

为了提高激光-电弧复合焊接的可靠性,对复合焊接咬边缺陷成形机理及抑制方法进行了研究.结果表明,激光能够提高复合焊接的临界咬边速度,最高可达电弧焊接的5倍.在激光-电弧相互作用下,复合焊接存在两种抑制咬边的机理.一种是改变焊趾处固、液、气三相的表面张力状况,形成指向熔池外部的合力.另一种是通过提高熔池内温度梯度和热输入来增加熔池内由内向外的流动速度和时间,使熔化金属能够流向并填充焊趾,这种抑制机理作用更为显著.试验确定了复合焊接临界咬边速度的经验公式和电弧电压的合理调节范围.     

激光焊熔池图像三维形态恢复算法分析

利用熔池图像表面的明暗变化恢复熔池表面三维形态,分析熔高和熔宽等特征与焊接质量的关系.试验装置采用红外激光辅助光源和带有近红外窄带滤波组合系统的高速影像设备实时捕捉熔池动态图像,并根据统计学估计光源位置参数,采用基于单幅熔池灰度图像的明暗恢复形状技术(shape from shading,SFS)中的局部分析算法来恢复熔池三维表面形态,并通过中值滤波和三次样条插值对三维重建后熔池形状进行去噪和平滑处理.结果表明,所采用的方法能有效地恢复熔池表面信息,为大功率盘形激光焊接过程中根据熔池二维图像预测焊缝成形提供了一种方法.     

激光辅助活性焊接法

提出了激光辅助活性焊接的方法,研究了焊接参数对激光熔化处理后TIG焊接熔深、熔宽的影响.首先,使用极小功率激光在氧气保护下熔化焊件表面,使焊缝表面的氧含量增加.然后使用普通的TIG焊接,覆盖激光焊缝,达到增加熔深的目的.利用此方法,不使用活性剂就可以使TIG焊焊接熔深增加约2倍,与A-TIG焊相比没有表面熔渣,表面成形较好.小功率激光处理后焊缝中O元素含量增加,熔池表面张力温度系数由负变正,导致激光辅助活性焊熔深增加.

Abstract：

On the bases of the study for the mechanism of the increasing of A-TIG welding penetration, a new method of activating TIG welding, the laser aided activating TIG welding was proposed. At first, the surface of weld was melt by the mini power laser protected by oxygen. As a result, the oxygen content increases in the weld pool surface. Then the conventional TIG welding was used to cover the weld. The oxygen could change the direction of fluid flow in molten pool, which leads to the weld beads with narrower width and deeper penetration. Without the activating flux, the penetration can be increased by 2 times. There is no slag in the surface of weld and the appearance is good. The oxygen can change the temperature dependence of surface tension gradient from a negative value to a positive value; and cause the significant changes in the weld penetration. Fluid flow could be inward along the surface of the weld pool toward the center and then down. This fluid flow pattem transfers heat to the weld root and produces a relatively deep and narrow weld efficiently. This change is the main cause to increase the penetration.     

高速激光热丝钎焊表面成形质量的控制

高速激光钎焊会引起熔池流动紊乱导致焊缝成形质量恶化,从而限制了其在汽车制造领域的应用。通过正交试验研究了高速下激光功率、送丝角度等工艺参数对焊缝成形质量的影响,发现焊缝成形质量随激光功率增加和送丝角度减小而提升。激光功率是通过影响熔池获得的热输入,从而影响熔池表面扰动的铺展来影响焊缝成形质量的。送丝角度是通过影响焊丝送入熔池的位置,从而影响焊丝对熔池的扰动强度和扰动的铺展速度来影响焊缝成形质量的。采用正交试验获得的最优工艺参数组合进行试验,获得了表面光滑平整无缺陷的高质量焊缝,为激光钎焊在高速下的应用发展奠定了基础。     

激光深熔焊运动熔池瞬态形成过程数值模拟

考虑到表面张力、浮力、液-固相之间内作用力、焊接速度、紊流、对流以及辐射等影响因素,建立激光深熔焊接过程运动熔池的数学模型,并对熔池的温度、流动、焊缝形貌的动态演化过程进行预测.结果表明,运动熔池形成过程中,变宽的趋势比拉长的趋势大,在宽度上达到最大值后继续拉长、变尖,达到准稳态;运动熔池上部分对流传热起主导作用,下部扩散传热起主导作用;Marangoni力是运动熔池上部变宽、拉长的主要作用力。数值模拟得到的熔池动态结果与实际拍摄的试验结果吻合较好。     

脉冲个数调频对铝合金双脉冲焊性能的影响

在保证焊接热输入不变情况下,利用同时改变强弱脉冲个数的方法实现双脉冲低频的调频,并基于直接的电信号波形、间接的焊缝宏观和微观金相对三组不同频率双脉冲和一组单脉冲进行焊缝质量比较.结果表明,双脉冲对熔池的搅拌作用使得焊缝质量优于单脉冲,同时随着双脉冲低频频率的变化,在调制频率3.8 Hz时接近熔池振荡频率,使振荡加强,焊缝热影响区减小,晶粒组织细化,焊接性能最好.     

铝/钢电弧辅助激光对接熔钎焊铺展特性

采用小功率TIG电弧辅助激光热源进行5A06铝合金和热镀锌ST04Z钢的预置粉末对接熔钎焊工艺试验,通过SEM,Photoshop来研究预留间隙、背面填涂钎剂、激光热输入、辅助电弧电流、热源中心间距、填加焊丝对熔钎焊接头铺展宽度的影响. 结果表明,预留小于0.5 mm的间隙与背面填涂钎剂均可增大铺展宽度;在未焊穿的前提下,随激光热输入和辅助电弧电流的增加,铺展宽度增大;随热源中心间距的增大,铺展宽度先增加后减小. 焊接熔池中填加Al-Si焊丝较未填加焊丝的铺展性更好,获得连续、美观的焊缝表面形貌.     

Infrared temperature sensing of laser welding

This study investigates the feasibility of using infrared sensing devices to measure the surface temperature variation near the molten pool and to correlate this temperature variation with the changes in welding parameters. Since the properties of the welds depend upon their microstructures and compositions, the cooling rate of the weld pool exerts a strong influence on their properties. If a valuable relationship could be found, the output signal from the infrared detector might be used as a feedback signal to control the laser welding process. In the present study, a simple method of monitoring the variation of cooling rate is proposed. Using two infrared temperature sensing devices together with a personal computer, we can calculate the cooling rate variation of a specific point of welds. From the results, it is concluded that mutual relations exist between measured cooling rate and microstructures as well as the properties of welds.