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基于多传感器的激光焊接质量实时诊断及其理论基础

王春明  
【摘要】:激光焊接作为一种优质高效的焊接方法,在汽车、冶金、国防工业等领域得到了日益广泛的应用。但由于激光深熔焊过程中能量的传递机理和物理过程非常复杂,焊接质量的影响因素众多,实际生产中仅控制其常规工艺参数是不够的。因此,为了保证激光深熔焊的质量并充分发挥其高速高效的优势,加快其实用化进程,对激光焊接质量监测技术的研究十分必要,同时,此项研究也有助于加深对激光焊接过程本质的认识。 首先按照虚拟仪器(Virtual Instrument)理念设计并研制出一套多传感器激光焊接实时监测系统,该系统以焊接过程中的蓝紫光辐射(400~440nm)、红外辐射(1200~1700nm)以及20~20kHz 的可听声等三种信号作为被检测参量,能够完成信号的在线高速(200kHz)采集与记录,具备时域分析、频域分析以及时频分析等手段实现信号中有效信息的挖掘,并能实时监测激光焊接过程的稳定性。 对三种信号所反映的焊接过程本质进行了深入分析,三种信号可从不同的侧面反应激光焊接过程的本质,实验条件下:蓝紫光信号与激光功率密度有较好的线性关系,受激光功率、侧吹气流量影响较大,受焊接速度的影响较小; 熔池红外信号可较好反映熔池状态,如熔池堆高、熔宽等,与焊接线能量有较好的对应关系; 可听声信号可较好地反映小孔内蒸气压力的大小,与激光功率密度有较好的对应关系。 等离子体光信号可以较好地反映非穿透激光深熔焊熔深的变化。在实验条件下首次建立了焊缝熔深与检测信号之间的统计关系曲线,并对二者的内在联系进行了深入分析,为非穿透激光深熔焊熔深的实时监测及预测提供了理论指导与实验依据。 等离子体振荡从频域上可分为三段:2000Hz 以下的低频段信号反映等离子体的强弱,可用作有无等离子体产生的判据; 2000~6500Hz 的中频段信号可以较好地反映有无小孔的形成,可用作识别激光焊接的模式是传热焊还是深熔焊; 7000Hz


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