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基于高速摄像技术的光纤激光焊接过程研究

孟宣宣  
【摘要】:高功率光纤激光器以其高效率、大功率、高光束质量、稳定性好,使用方法简便,可实现免维护等优势,在汽车、能源、航空制造等工业领域得到了日益广泛的应用。在激光焊接中,等离子体对光束-工件能量耦合有着重要影响,包含着控制焊接质量的重要信息,熔池液体的流动和小孔状态直接影响焊接质量的好坏和焊接过程的稳定性。但是高温、高亮度、不断变化的等离子体的干扰使得对激光深熔焊接过程的直接观测受到很大影响。 本文搭建了高速摄像系统平台,对于高速摄像机、数据采集卡、背光光源、光学镜片和同步信号发生器等元器件的组合和选用满足光纤激光焊接过程高速摄像的基本要求;利用高速摄像系统,根据具体拍摄目标的特点,综合恰当选择背光系统、光学镜片组合、光学放大率和高速摄像机参数,偏轴拍摄光纤激光焊接过程中的等离子体、熔池和小孔,可以较清晰地获取焊接熔池、小孔和等离子体的动、静态特征;获得了不同激光功率下光纤激光焊接小孔和熔池的实际尺寸,可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据;等离子体高速摄像结果显示熔池上方的扩散等离子体长大、脱离熔池小孔并逐渐完全消散的过程不断重复,形成周期性振荡。 利用数学软件Matlab的图像处理模块对等离子体图像和部分熔池图像进行了图像处理,提取了等离子体和熔池边界;由于熔池图像本身特点,其边界提取程序适应性较差,而等离子体图像处理程序具有较好的适应性,制作了等离子体图像处理的图形化用户界面来简化操作。等离子体与小孔图像处理结果显示:随着激光功率的提高和焊接速度的降低,等离子体面积整体上都呈增大趋势。这是由激光功率密度的增大造成的;但是同时发现用平面图像等离子体面积反映等离子体大小具有一定的局限性;光纤激光深熔焊接小孔大小不但存在高频波动,还存在周期性的低频波动。 将焊缝成形与高速摄像结果结合起来加以研究,高速摄像熔池大小波动周期与焊缝表面周期性不均匀波动形貌周期有较好的对应性;高速摄像图片可以反映焊接过程的稳定性和焊缝成形的好坏。以图像处理方面的研究为基础,结合高速摄像图片与焊接过程和焊缝成形的对应关系开展激光焊接在线监测技术方面的研究具有较高可行性。


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