CN113210852A - 一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法 - Google Patents

一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法 Download PDF

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邹江林
张高磊
祝宝琦
郭士慧
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Abstract

一种基于孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法，属于激光材料加工领域。本发明采用照明光辐照焊接熔池，高速摄像配置中心波长与照明光波长一致的窄带滤光片观测小孔口。将孔口纵向直径(沿焊接方向)与横向直径的比值表征为孔口的畸变率，其大小反映了小孔前壁表面激光致蒸汽对小孔后壁的冲击及与此相关的气孔、飞溅和焊缝表面成形等焊接缺陷。即利用孔口畸变率的大小可监测焊接过程。照明激光波长为0.1μm～1μm，功率为0.01W～200W；高速摄像镜头与焊接板材表面的夹角为10°～90°；焊接用激光波长为0.1μm～20μm，功率为0.3kW～500kW。该方法通过测量孔口畸变率大小的方式监测激光焊接过程缺陷，简单高效。

Description

一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测 方法
技术领域
本发明涉及一种基于孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法，属于激光材料加工领域。
背景技术
激光具有高单色性、方向性、相干性和亮度性等特点，故而可将其作为焊接热源。激光焊接技术拥有焊接质量好、加工精度和强度高、易于实现自动化控制等其他焊接技术所不具有的优势。在21世纪，激光焊接作为最受瞩目、最具有发展前景的焊接技术，在工业生产应用中获得了越来越广泛关注。
在激光焊接中，材料经历了加热、熔化、剧烈蒸发、然后熔池在金属蒸发反冲压力作用下向下凹陷形成深熔小孔过程。因为深熔小孔的存在，激光焊接具有能量利用率高、质量好，焊缝深宽比高，焊接效率高等特点。激光深熔焊接中，激光束直接作用于小孔前壁，小孔前壁对入射激光的第一次吸收决定了焊接熔深。当激光束作用于小孔前壁时，激光致蒸发蒸汽沿着小孔前壁表面法线方向喷发并冲击小孔后壁。小孔前壁倾斜角发生变化时，此冲击力方向与大小也随之变化。小孔前壁表面激光致蒸发蒸汽对小孔后壁的冲击是很多焊接缺陷产生的原因，如熔深波动、气孔、飞溅、驼峰、焊缝表面成形等。此类焊接缺陷严重的制约了焊接构件的整体服役性能和激光深熔焊接技术的进一步发展。
激光深熔焊接过程中，小孔前壁表面激光致蒸发蒸汽对小孔后壁的冲击是深熔小孔波动的驱动力，其外在特征可表现为小孔口的变化。即小孔口形貌波动越剧烈，熔池波动则越剧烈，小孔前壁表面激光致蒸发蒸汽对小孔后壁的冲击越严重，越容易产生熔深波动、气孔、飞溅、驼峰、焊缝表面成形等焊接缺陷。针对该现象，本发明提出了一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程稳定性监测方法，该方法通过测量小孔口畸变率的大小监测激光焊接缺陷的产生，更简单、直接且高效。对优化焊接工艺提高焊接质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法。焊接时，采用照明激光辐照熔池，高速摄像配置与照明光波长一致的窄带滤光片观测小孔口。将小孔口纵向直径(沿焊接方向)与横向直径的比值表征为小孔口的畸变率。孔口畸变率的大小可反映激光致小孔前壁表面蒸发蒸气对小孔后壁冲击的剧烈程度，及与此相关的焊接气孔、飞溅和焊缝表面成形等焊接缺陷。即利用该值可监测激光焊接过程。目前观察到的小孔口畸变率范围是0.8-3左右。大于1.5的时候焊缝就明显变差了。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：照明激光的波长在100nm～1000nm，功率在0.01W～200W；高速摄像镜头与焊接板材表面的夹角为10°～90°；焊接用激光器的波长在0.1μm～20μm，功率在0.3kW～500kW。高速摄像仪配置窄带滤波片，该窄带滤波片的中心波长与照明光的波长一致。
为实现上述目的，本发明采用的高功率激光束可以为CO2激光、固体激光(光纤激光、Nd:YAG激光和碟片激光)或半导体激光；焊接时，激光束可正离焦、负离焦或零离焦；激光的出光模式可连续也可脉冲。
该方法的优点在于，利用小孔口纵向直径与横向直径的比值表征小孔口的畸变率。通过测量小孔口畸变率的大小表征小孔前壁表面激光致蒸发蒸汽对小孔后壁冲击的剧烈程度，及与此相关的气孔、飞溅、焊缝表面成形等缺陷的情况。采用该方法监测激光焊接过程中的缺陷，更简单、直接且高效。对优化焊接工艺提高焊接质量具有重要意义。
低焊接速度的时候小孔口比较稳定，它基本是圆形的。高焊接速度的时候小孔口就变成椭圆了，纵向长度与横向长度的比值也就是畸变率变大了，焊缝质量就开始变差。
附图说明
图1：观察深熔小孔口示意图
图中各个附图标记的含义：1.高速摄像，2.窄带滤波片，3.激光束，4.照明激光束，5.板材，6.焊接方向，7.小孔口，8.熔池
图2：熔池及焊缝表面形貌；(a)熔池及焊缝表面；(b)小孔口畸变率；(c)质量亏损与焊缝表面粗糙度
具体实施方式
本实例中，基材为板厚10mm的低碳钢，表面磨削处理。采用IPG公司生产的型号为YLS-6000光纤激光器。加工参数分别为：光纤激光功率为6000W,照明激光功率为30W，高速摄像与板材夹角60°，采集帧率为10000f/s。光纤激光为零离焦，焦点直径为0.31mm，改变焊接速度进行试验。实验结果如图2所示，图2(a)所示为不同焊接速度下的熔池及焊缝表面形貌；图2(b)为选取高速摄像连续50帧测量小孔口畸变率随时间的变化；图2(c)为焊缝表面粗糙度和板材质量亏损。可见随着焊接速度增加，小孔口畸变率逐渐增加，熔池波动越为剧烈，导致板材质量亏损及焊缝表面粗糙度逐渐增加，焊缝成形质量变差，焊接过程变得不稳定。实验结果说明小孔口的畸变率能反映出焊接过程的稳定性，即可监测焊接过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域内技术人员可以理解，本发明的保护范围并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，任何可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法，其特征在于：焊接时，采用照明激光辐照熔池，摄像镜头前配置与照明光波长一致的窄带滤光片观测小孔口，将孔口纵向即沿焊接方向的直径与横向直径的比值表征小孔口畸变率；孔口畸变率的大小反映激光致小孔前壁表面蒸发蒸气对小孔后壁的冲击情况，及与此相关的焊接气孔、飞溅和焊缝表面成形焊接缺陷，即利用该值监测焊接过程；小孔口畸变率范围是0.8-3，大于1.5的时候就认为焊缝性能变差了。
2.根据权利要求1所述的一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法，其特征在于照明光的波长在100nm～1000nm，功率在0.01W～200W；摄像镜头与焊接板材表面的夹角为10°～90°；焊接用激光器的波长在0.1μm～20μm，功率在0.3kW～500kW。
3.根据权利要求1所述的一种基于小孔口直径畸变率原位测量的激光焊接过程监测方法，其特征在于焊接时可正离焦、负离焦或零离焦；激光的出光模式可连续也可脉冲。
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