激光焊接過(guò)程中元素光譜信息與焊縫質(zhì)量的關(guān)系

江武志， 范嘉煒， 梁梓鵬， 賀貴騰

(1. 中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 廣東 中山 528404； 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

激光焊接過(guò)程中元素光譜信息與焊縫質(zhì)量的關(guān)系

江武志1， 范嘉煒2， 梁梓鵬2， 賀貴騰1

(1. 中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 廣東 中山 528404； 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

在高質(zhì)量精密加工過(guò)程中， 影響激光焊接質(zhì)量的因素較多， 如： 激光入射功率、 激光焊接速度、 離焦量、 保護(hù)氣流量等. 為實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的檢測(cè)， 本文研究激光焊接過(guò)程中不同光譜區(qū)信息與焊接質(zhì)量的關(guān)系. 對(duì)不同焊接工藝參數(shù)進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)光譜儀采集激光焊接過(guò)程中光譜輻射信息. 根據(jù)波長(zhǎng)強(qiáng)度圖分析焊接過(guò)程中不同光譜波段的輻射強(qiáng)度， 研究不同元素對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響， 尋找能夠準(zhǔn)確表征焊接質(zhì)量(缺陷)的光譜輻射信息. 研究結(jié)果表明： 在700-800nm的光譜區(qū)中， Cr和Si元素與焊接缺陷存在一定相關(guān)性. 在800-900nm光譜區(qū)， Fe和Cr元素是確保焊接質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵. 在900～1 000 nm光譜區(qū)中， Fe， Cr， S， C元素與焊接質(zhì)量變差存在一定相關(guān)性.

激光焊接； 光譜分析； 光譜儀； 焊接缺陷識(shí)別； 焊接狀態(tài)檢測(cè)

Abstract: During laser welding, there are many factors that affect the quality of laser welling such as laser incident power, laser welding speed, defocusing amount and protection gas flow. This paper investigates the interrelation between different spectral range information and welding quality during laser welding process in order to realize effective detection of weld quality. Laser welding experiment is conducted by using different technical parameters. Spectral radiation information is collected by the spectrometer during welding process. Radiation intensity of different spectral ranges is analyzed based on the wavelength and intensity diagrams. The paper researches on the variation pattern of different elements as laser welding quality changes and aims at obtaining the spectral radiation information that can accurately characterize welding quality (defects).The results show that the Cr and Si elements are related to the welding defects in the spectral region of 700～800 nm. In the 800～900 nm spectral region, the elements of Fe and Cr are the key to ensure the stability of welding quality. In the 900～1 000 nm spectral region, the elements of Fe, Cr, S and C are related to the variation of welding quality.

Keywords: laser welding; spectrum analysis; spectrometer; welding defect identification; welding state detection

20世紀(jì)60年代,美國(guó)成功研制出世界上第一臺(tái)紅寶石激光器， 激光加工技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域. 隨著大功率固態(tài)激光器的飛速發(fā)展， 激光焊接逐漸取代傳統(tǒng)焊接工藝， 成為主要焊接技術(shù). 與傳統(tǒng)焊接相比， 激光焊接能量密度高、 焊接速度快、 焊接熱輸入小， 因而廣泛應(yīng)用于汽車、 造船、 電子、 航空航天、 冶金、 機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域[1].

激光焊接是用特定方式激勵(lì)激光活性介質(zhì)， 如： CO2、 氦氣混合氣體、 YAG釔鋁石榴石晶體、 二極管等， 令活性介質(zhì)在諧振腔往復(fù)振蕩形成激光束. 激光束輻射到工件， 致使工件溫度不斷升高， 當(dāng)工件金屬熔化、 汽化時(shí)進(jìn)行焊接[2].

現(xiàn)我國(guó)許多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接， 雖技術(shù)落后于大部分歐美國(guó)家， 但我國(guó)已在部分領(lǐng)域取得突破， 接近國(guó)際水平[3]. 激光焊接相比傳統(tǒng)焊接工藝有明顯優(yōu)勢(shì)， 但激光焊接缺點(diǎn)也相當(dāng)突出. 本文主要介紹激光焊接過(guò)程中等離子體行為、 光輻射信號(hào)與等離子體關(guān)系， 不同光譜區(qū)元素種類、 含量與焊接質(zhì)量的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 等離子體行為

圖 1 檢測(cè)原理圖Fig.1 Test schematic

激光焊接深熔焊時(shí)， 由于激光能量大， 工件熔化和汽化， 溫度不斷升高， 出現(xiàn)升華， 汽化和升華后出現(xiàn)等離子體. 等離子體對(duì)激光進(jìn)行吸收、 反射和折射， 且等離子體覆蓋在熔池上方， 影響(減弱)激光輻射到工件表面上的能量， 降低工件表面質(zhì)量. 且等離子體數(shù)量越多， 工件的焊接質(zhì)量越差[4-6].

1.2 光輻射信號(hào)

激光焊接深熔焊時(shí)產(chǎn)生熔池， 如圖 1， 熔池中金屬汽化電離出等離子體. 此現(xiàn)象有強(qiáng)烈的可見(jiàn)光和紫外光輻射； 根據(jù)等離子體與焊接質(zhì)量的關(guān)系， 可用這兩種信號(hào)檢測(cè)焊接質(zhì)量. 另外， 熔池反射、 輻射、 折射激光束形成紅外光輻射. 根據(jù)研究分析， 熔池的溫度分布和表面積決定紅外光輻射信號(hào)強(qiáng)度， 熔池的溫度分布和表面積決定焊縫的面積和形狀， 因此可通過(guò)檢測(cè)紅外光輻射信號(hào)， 間接掌握焊縫寬度和質(zhì)量、 熔池狀態(tài)和工件表面缺陷等[7].

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 激光加工設(shè)備基本使用原理

如圖 2， 本實(shí)驗(yàn)中激光從盤(pán)形激光器中產(chǎn)生， 通過(guò)光纖傳輸?shù)郊す忸^. 激光頭將發(fā)散的激光束集中發(fā)射到焊接對(duì)象表面， 通過(guò)準(zhǔn)直儀采集激光加工過(guò)程中的熱輻射光信號(hào)， 并輸送至光譜儀中， 最終在電腦上通過(guò)軟件分析激光加工過(guò)程的缺陷.

圖 2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述

本實(shí)驗(yàn)的焊接裝置主要有大功率盤(pán)形激光器TruDisk16002、 智能傳感攝像機(jī)、 焊接工作臺(tái)(激光頭、 保護(hù)氣)、 光譜儀Ocean HR2000+.

主要實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)：

TruDisk16002盤(pán)形激光器[8]主要參數(shù)： 功率為16 kW， 在額定功率輸出下， 功率波動(dòng)范圍為前后1%， 波長(zhǎng)1 030 mm， 光束質(zhì)量8 mm-mrad.

Ocean HR 2000+光譜儀[9]主要參數(shù)如表 1 所示.

表 1 光譜儀參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

本文共進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)變量為激光入射功率、 離焦量. 使用MATLAB[10]將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 根據(jù)時(shí)間波長(zhǎng)強(qiáng)度圖， 結(jié)合焊接實(shí)物圖， 分析其中不同光譜區(qū)內(nèi)元素種類和含量與焊接質(zhì)量的關(guān)系. 具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 2 所示.

表 2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1 第一次實(shí)驗(yàn)及分析

以下為焊接實(shí)物圖(見(jiàn)圖3、圖4)、 時(shí)間波長(zhǎng)強(qiáng)度三維圖(見(jiàn)圖5)和波長(zhǎng)強(qiáng)度圖(見(jiàn)圖6).

本實(shí)驗(yàn)變量： 激光入射功率5 kW、 焊接速度2 m/min、 離焦量0 mm. 分析圖 3、 圖 4 可得到焊接過(guò)程熔池變化較小. 分析圖 5 可得到焊接過(guò)程激光強(qiáng)度適中且較穩(wěn)定.

圖 3 第1次實(shí)驗(yàn)焊接板正面Fig.3 The first test of the welding plate

圖 4 第1次實(shí)驗(yàn)焊接板背面Fig.4 The first test of the back plate

圖 5 第1次實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)強(qiáng)度時(shí)間圖(a)Fig.5 The time intensity of the first experiment

從時(shí)間角度分析， 焊接過(guò)程總體比較平穩(wěn)， 前期熔池保持穩(wěn)定， 后期出現(xiàn)稍微變化， 有少量體積細(xì)小的熔渣飛濺. 觀察圖6可得在整個(gè)焊接過(guò)程中， 光輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱， 但在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)(1 042ms, 1 250 ms, 1 790 ms)存在一定的波動(dòng)， 此時(shí)熔渣飛濺數(shù)量增多， 因此可推斷熔渣飛濺與強(qiáng)度波動(dòng)存在一定的相關(guān)性. 分析圖6可得在700～800 nm波長(zhǎng)段的光譜區(qū)主要存在Cr， Fe元素， 熱輻射強(qiáng)度增大， 說(shuō)明元素Cr和Fe強(qiáng)度增大與飛濺增多有關(guān)； 在800～900 nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)主要存在Cr， Fe和Mn元素(其中Fe最多， 其次是Mn和Cr， 及少量Si)， 熱輻射強(qiáng)度總體較高且較穩(wěn)定， 推測(cè)Mn元素與飛濺保持穩(wěn)定有關(guān)； 在900～1 000 nm 波長(zhǎng)段光譜區(qū)主要存在Fe元素， 熱輻射強(qiáng)度下降， 推測(cè)Fe元素與飛濺減少有關(guān).

圖 6 實(shí)驗(yàn)1不同時(shí)刻光譜輻射強(qiáng)度分布Fig.6 Distribution of spectral radiant intensity at different time

3.2 第二次實(shí)驗(yàn)及分析

以下為焊接實(shí)物圖(見(jiàn)圖7， 圖8)、 時(shí)間波長(zhǎng)強(qiáng)度三維圖(見(jiàn)圖9)和波長(zhǎng)強(qiáng)度圖(見(jiàn)圖10).

圖 7 第2次實(shí)驗(yàn)焊接板正面Fig.7 The second experimental welding plate

圖 8 第2次實(shí)驗(yàn)焊接板背面Fig.8 The back plate of the second experiment

圖 9 第2次實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)強(qiáng)度時(shí)間圖Fig.9 The intensity time of the second experiment

本實(shí)驗(yàn)變量為： 激光入射功率13 kW、 焊接速度2 m/min、 離焦量0 mm. 分析圖 7 和圖 8 可得焊接過(guò)程熔池變化雖較小但頻繁， 總體不穩(wěn)定， 工件表面焊接質(zhì)量差； 工件背面焊縫前部分有兩處明顯凹陷， 中后部分沒(méi)有凹陷， 但有體積較大的熔渣， 表明該段焊縫焊接時(shí)功率密度增大， 熔池吸收能量增多， 說(shuō)明入射功率增大與該實(shí)驗(yàn)焊接質(zhì)量變差存在一定相關(guān)性. 分析圖10(a)， 在時(shí)間點(diǎn)741 ms(焊接前部分時(shí)間點(diǎn))工件背面出現(xiàn)第一個(gè)凹陷； 分析圖10(b)和圖10(c)可得在時(shí)間點(diǎn)1 392 ms 和1 815 ms(焊接中后部分時(shí)間點(diǎn))， 工件背面狀態(tài)比較平穩(wěn)； 分析圖10(a)～圖10(c) 可得在700～800 nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)主要存在Cr， Si， S， Fe元素， 熱輻射強(qiáng)度最不穩(wěn)定， 說(shuō)明Cr， S， Fe元素與熱輻射強(qiáng)度頻繁增大有關(guān)； 在800～900 nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)元素含量普遍較低， 在900～1 000 nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)主要存在Cr， Fe和S元素， 結(jié)合上述工件焊接質(zhì)量差， 推測(cè)Cr， Fe和S元素在900～1 000nm光譜區(qū)與焊接質(zhì)量變差有關(guān)； 推測(cè)元素種類多但含量少與熱輻射整體強(qiáng)度較低有關(guān).

圖 10 實(shí)驗(yàn)2不同時(shí)刻光譜輻射強(qiáng)度分布Fig.10 Distribution of spectral radiant intensity at different time in experiment two

3.3 第三次實(shí)驗(yàn)及分析

以下為焊接實(shí)物圖(見(jiàn)圖11，圖12)、 時(shí)間波長(zhǎng)強(qiáng)度三維圖(見(jiàn)圖13)和波長(zhǎng)強(qiáng)度圖(見(jiàn)圖14).

圖 11 第3次實(shí)驗(yàn)焊接板正面Fig.11 The third experimental welding plate

圖 12 第3次實(shí)驗(yàn)焊接板背面Fig.12 The back plate of the third experiment

圖 13 第3次實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)強(qiáng)度時(shí)間圖Fig.13 The intensity time of the third experiment

本實(shí)驗(yàn)變量： 激光入射功率15 kW、 焊接速度2 m/min、 離焦量-3 mm. 相比第2次實(shí)驗(yàn)， 功率不變， 離焦量變?yōu)?3 mm. 觀察圖 11 和圖 12 可得焊接過(guò)程熔池變化較大， 但整體穩(wěn)定， 沒(méi)有熔渣飛濺， 工件表面焊接質(zhì)量變好； 工件背面焊縫前部分凹陷而且被完全焊透， 后部分焊縫寬度變小， 背面焊接質(zhì)量變差. 工件整體質(zhì)量變差， 表明離焦量下移影響焊接質(zhì)量. 分析圖 14 可得在700～800 nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)中主要存在Cr， S， Fe元素， 元素強(qiáng)度頻繁大幅度波動(dòng)； 在800～900 nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)主要存在Mn， Fe， S， Cr元素， 元素強(qiáng)度較穩(wěn)定； 在900～1 000nm波長(zhǎng)段光譜區(qū)主要存在Cr， Fe， Mn， C， S元素， 結(jié)合上述工件焊接質(zhì)量變差， 推測(cè)Cr， Fe， Mn， C， S元素在900～1 000 nm光譜區(qū)與焊接質(zhì)量變差有關(guān).

圖 14 實(shí)驗(yàn)3不同時(shí)刻光譜輻射強(qiáng)度分布Fig.14 Distribution of spectral radiant intensity at different time in experiment three

4 結(jié) 論

本文根據(jù)波長(zhǎng)強(qiáng)度圖研究各種元素在不同光譜區(qū)中的含量與焊接質(zhì)量的關(guān)系. 研究結(jié)果表明： 在700～800 nm的光譜區(qū)中熱輻射強(qiáng)度波動(dòng)最頻繁且波動(dòng)幅度較大， 基本同時(shí)出現(xiàn)Cr， S和Fe元素(偶爾出現(xiàn)Si， Cr元素或出現(xiàn)Cr， Fe元素)， 且Cr或Si元素強(qiáng)度最大， 說(shuō)明Cr和Si元素在700～800 nm光譜區(qū)中與熱輻射強(qiáng)度頻繁波動(dòng)有關(guān)； 結(jié)合激光焊接質(zhì)量變差， 說(shuō)明Cr和Si元素與降低焊接質(zhì)量存在一定相關(guān)性； 在800～900 nm光譜區(qū)中， 熱輻射強(qiáng)度較穩(wěn)定且整體處于較大值， 出現(xiàn)最多Fe和Cr元素， 推測(cè)Fe和Cr在800～900 nm光譜區(qū)與熱輻射強(qiáng)度穩(wěn)定有關(guān)， 結(jié)合焊接質(zhì)量保持穩(wěn)定， 說(shuō)明Fe和Cr元素與保持焊接質(zhì)量存在一定相關(guān)性； 在900～1 000 nm光譜區(qū)中， 熱輻射強(qiáng)度整體降低， Fe含量最多但與S， Cr， C元素差距小， 推測(cè)在900～1 000 nm光譜區(qū)中Fe與熱輻射強(qiáng)度增大有關(guān)， S， Cr， C元素與熱輻射強(qiáng)度降低有關(guān)， 結(jié)合實(shí)驗(yàn)3焊接質(zhì)量變差， 說(shuō)明在900～1 000 nm光譜區(qū)中， Fe， Cr， S， C元素與焊接質(zhì)量變差存在一定相關(guān)性.

[1] 王旭友, 王威, 雷振. 激光焊接技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械制造文摘-焊接分冊(cè), 2010(4)： 1-5. Wang Xuyou, Wang Wei, Lei Zhen. Progress in laser welding technology[J]. Jixie Zhizao Wenzhai (Hanjie Fence), 2010(4)： 1-5.(in Chinese)

[2] 游德勇, 高向東. 激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 焊接技術(shù), 2008, 37(4)： 5-9. You Deyong, GaoXiangdong. Studies and prospects of laser welding technology[J]. Welding Technology, 2008, 37(4)： 5-9. (in Chinese)

[3] 王家淳. 激光焊接技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 激光技術(shù), 2001, 25(1)： 48-54. Wang Jiachun. Development and expectation of laser welding technology[J]. Laser Technology, 2001, 25(1)： 48-54.(in Chinese)

[4] 霍厚志. 激光深熔焊過(guò)程仿真技術(shù)研究[D]. 太原： 太原科技大學(xué), 2012.

[5] 高世一， 吳瑞珉， 陳衛(wèi)東， 等. 激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)及焊縫質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 世界鋼鐵, 2010, 10(3)： 55-58+67. Gao Shiyi, Wu Ruimin, Chen Weidong, et al. Development status of laser welding process monitor and seam quality detection[J]. World Iron & Steel, 2010,10(3)： 55-58+67.(in Chinese)

[6] Li Zhiyong, Wang Wei, Wang Xuyou, et al. A study of the radiation of a Nd： YAG laser-MIG hybrid plasma[J]. Optics & Laser Technology, 2010, 42： 132-140.

[7] 王春明， 胡倫驥， 胡席遠(yuǎn). 激光焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J], 電焊機(jī), 2005, 35(7)： 18-22. Wang Chunming, Hu Lunji, Hu Xiyuan. Research of real-time monitoring technology on laser welding quality[J], Electric Welding Machine, 2005, 35(7)： 18-22.(in Chinese)

[8] 劉英英. 大功率盤(pán)形激光焊多傳感器信息融合方法研究[D]. 廣州： 廣東工業(yè)大學(xué)， 2014.

[9] 張曉萍, 陳金忠, 郭慶林, 等. 激光等離子體光譜分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2008, 28(3)： 656-662. Zhang Xiaoping, Chen Jinzhong, Guo Qinglin. The current development of laser-induced plasma spectral analysis technique[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2008, 28(3)： 656-662. (in Chinese)

[10] 吳曉光, 徐精彩, 李樹(shù)剛, 等. 基于MATLAB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的幾種處理方法[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2005, 24(1)： 25-27. Wu Xiaoguang, Xu Jingcai, Li Shugang. Matlab-based processing methods of experimental data[J]. Techniques of Automation and Application and Applications, 2005, 24(1)： 25-27.(in Chinese)

RelationshipBetweenElementSpectrumInformationandWeldQualityinLaserWeldingProcess

JIANG Wuzhi1, FAN Jiawei2, LIANG Zipeng2, HE Guiteng1

(1. School Of Information Engineering, Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404, China; 2. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510000, China)

1671-7449(2017)05-0448-07

TG409；TP274+.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.014

2017-01-20

中山市科技局公益基金資助項(xiàng)目(2015SYF0202)； 廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016A030310347)； 廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201707010197)

江武志(1984-)， 男， 講師， 碩士， 主要從事信號(hào)與信息處理、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、 檢測(cè)與控制技術(shù)、 單片機(jī)及嵌入等研究.