激光脉冲频率对激光焊接的影响（激光焊接中基于锁孔和等离子体羽流的熔深相关性分析）

激光脉冲频率对激光焊接的影响（激光焊接中基于锁孔和等离子体羽流的熔深相关性分析）有效可靠的质量控制是激光焊接的关键问题。在采用激光技术的制造业中，对能够可靠检测焊接缺陷的在线检测系统的需求最近有所增加。近年来，大量的实验工作致力于了解焊缝熔深机理，尤其是在CO2和Nd:YAG激光焊接过程中。最近，Scintilla等人（2010）通过使用光学显微镜、形态分析和机械测试，研究了激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴配置和保护气体流量等工艺参数对焊接质量的影响。工业生产中使用了许多渗透监测方法。根据监测目标，监测方法分为单传感器单目标监测、多传感器单目标监控和多传感器多目标监控三类。图形摘要1 介绍激光焊接由于能量密度高、生产效率高、易于自动化和热变形小而广泛应用于现代工业。等离子体羽流和锁孔是等厚度激光焊接过程中的重要物理现象。等离子体羽流和锁孔的变化特性对焊接稳定性有很大影响。与等厚度激光焊接相比，特制轧制材料（TRM）激光焊接工艺更加复杂。为了更好地提高焊接过程的稳定性

长三角G60激光联盟导读

据悉，本文利用高速摄像机监测了锁孔和等离子体羽流的变化特征。分析了锁孔面积（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）的时域和频域特征。

摘要

利用高速摄像机监测了锁孔和等离子体羽流的变化特征。分析了锁孔面积（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）的时域和频域特征。协方差映射技术用于频率相关性。KA和CHPP在时域中具有不同的变化，在频域中具有相似的变化。主频位于低频分量（0–4000 Hz）。部分穿透模式的平均谱重心高于全穿透模式。低频分量具有很高的正相关性。研究结果为热轧材料激光焊接的在线检测提供了依据。

图形摘要

1 介绍

激光焊接由于能量密度高、生产效率高、易于自动化和热变形小而广泛应用于现代工业。等离子体羽流和锁孔是等厚度激光焊接过程中的重要物理现象。等离子体羽流和锁孔的变化特性对焊接稳定性有很大影响。与等厚度激光焊接相比，特制轧制材料（TRM）激光焊接工艺更加复杂。为了更好地提高焊接过程的稳定性和焊接质量，激光焊接过程的熔透状态更需要监测。

工业生产中使用了许多渗透监测方法。根据监测目标，监测方法分为单传感器单目标监测、多传感器单目标监控和多传感器多目标监控三类。

有效可靠的质量控制是激光焊接的关键问题。在采用激光技术的制造业中，对能够可靠检测焊接缺陷的在线检测系统的需求最近有所增加。近年来，大量的实验工作致力于了解焊缝熔深机理，尤其是在CO2和Nd:YAG激光焊接过程中。最近，Scintilla等人（2010）通过使用光学显微镜、形态分析和机械测试，研究了激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴配置和保护气体流量等工艺参数对焊接质量的影响。

（a）LASAG Nd:YAG和（b）Trumpf TruFiber 400不锈钢板激光焊接过程中获得的等离子体光发射样品光谱。

随着摄像机技术的发展，除了频谱监测和声学监测外，高速摄像机在激光焊接过程监测中的应用越来越广泛。Zhang等人建立了带有辅助光源的在线同轴监测系统。可以监控顶部和底部钥匙孔的大小。最后，通过穿透率检测未完全穿透、中等穿透和过度穿透的穿透状态。在部分熔透状态下，Abt等人（2011）表明，使用图像特征全熔透孔（FPH）的闭环控制适用于部分熔透焊接。在全穿透状态下，基于区域生长算法提出了FPH检测算法。研究了不同参数对同轴图像质量的影响。Zhao和Qi（2016）研究了FPH直径与焊接速度和激光功率的关系。

在线CCD辅助视觉系统用于测量穿透状态和熔体坍塌，以识别直接和间接故障。此外，还可以收集相机支持的图像，以检测焊缝中最微小的缺陷。在线系统的测量原理的特点是，在焊接过程中，锁孔区域、熔融区和基材之间存在显著的照明差异。因此，应分析和考虑干扰信号，以尽可能避免监测过程中的噪声效应。

等离子体采集设备。

在激光焊接镀锌钢的过程中，锌在激光的照射下迅速蒸发，形成锌蒸气云。随着工艺的进行，锌蒸气继续吸收激光能量并电离成锌等离子体。同时，部分保护气体和铁蒸气也被电离。尽管用于光纤激光小孔焊接的激光诱导等离子体的光发射比用于CO2激光小孔焊的弱，但熔焊过程的图像仍被等离子体和蒸汽屏蔽。

在本工作中，选择了TC4钛合金。利用高速摄像机同时监测等离子体羽流和锁孔的变化和稳定性，分析锁孔和等离子体羽流之间的关系。利用锁孔面积频率（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）分析了穿透的相关性。在激光焊接过程中，通过频域相关分析判断熔透模式。熔深相关性分析为TRM激光焊接的在线检测提供了依据。未来的工作重点是研究TRM激光焊接熔深模式实时闭环控制系统。

2.实验部分

使用光纤激光系统（IPG Photonics；波长：1.07 μm；模式：TEM00；最大输出功率：4 kW）和电焊位移平台，如图1所示。为了研究锁孔和等离子体羽流如何相互影响，使用Photons A4高速相机（帧速率：20 kHz）。在激光焊接过程中，等离子体羽流主要通过逆韧致辐射吸收激光能量，导致激光能量衰减。

图1 锁孔和等离子体羽流相关分析的实验装置（a）实验装置示意图（b）真实实验装置。

如图2所示，匙孔的照片是使用高速相机拍摄的。分析了原始锁孔图像的灰度分布，采用固定阈值对锁孔图像进行分割，得到了锁孔的轮廓特征。随后，使用开放算法消除熔池中的白点。然后，提取钥匙孔的轮廓，并计算KA。如图3所示，等离子体羽流图像被捕获，但包含热像素。因此，为了获得清晰的等离子体羽流图像，使用中值滤波器来削弱热像素。不同时间的等离子体羽流图像的灰度级之间存在较大差异。

图2 KA的特征分析过程：（a）原始图像（b）中值滤波器（c）阈值分割（d）打开操作（e）锁孔区域。

图3 CHPP特性分析过程：（a）原始图像（b）滤波图像（c）阈值分割（d）质心提取。

3.结果和讨论

3.1.KA的动态特性

在激光焊接过程中捕获锁孔的图像。锁孔的图像由锁孔的轮廓特征和熔池镜面反射的白点组成，如图4所示。当分析锁孔的动态变化特征时，消除了锁孔上白点的干扰。作为锁孔的一种动态行为，KA的变化常被用来描述锁孔的变化特征。在不同的穿透模式下捕获了锁孔的动态特性，如图5 所示。

图4 匙孔的特征。

图5不同穿透模式下KA的周期变化（A）部分穿透模式（B）全穿透模式。

由于成像帧速率为20 kHz时，可使用2000幅图像分析KA在每个激光功率步长内的特征行为，并使用图6（a）所示的时域分析分析不同穿透模式下的KA。发现平均KA随激光功率的增加而增加。然而，当激光功率达到1000 W时，平均KA下降，如图6(b)所示。这是因为锁孔深度随着激光功率的增大而增大，在1000 W的激光功率下穿透工件，形成了穿透孔。在等离子体羽流反冲压力和熔池表面张力的共同作用下，与部分熔透模式相比，锁孔收缩，KA减小。锁孔等离子体随激光功率的增大而增大，等离子体羽流的反冲压力再次增大，KA随之增大。

图6 不同穿透模式下KA的变化特征（a）KA的时域特征（b）平均KA变化趋势。

3.2.CHPP的动态特性

等离子体羽流由两个区域组成：高密度区域和扩散区域，如图7所示。两个区域之间的边界很模糊，两个区域的等离子体羽流密度明显不同。基于CHPP波动特性的方法被用于分析等离子体羽流的瞬态变化。

图7等离子体羽流的特征。

如图8所示，在不同的穿透模式下捕获了等离子体羽流的形态变化。发现等离子体羽流的周期不同。等离子体羽流的周期分为三个阶段：增加阶段、分离阶段和消散阶段。在增加阶段的初期，等离子体羽流主要是金属蒸气，不会形成大量的电离等离子体。随着激光照射时间的增加，电离等离子体的数量和密度增加。在增加阶段结束时，等离子体羽流密度最大，且等离子体羽流的密度超过激光屏蔽的阈值，然后激光束被屏蔽。

图8不同穿透模式下CHPP的周期变化（A）部分穿透模式（B）全穿透模式。

通过分析CHPP的变化，得到了等离子体羽流密度和面积的变化特征。因此，分析了不同穿透模式下CHPP的变化特征。CHPP的时域变化特征和平均CHPP的变化趋势分别如图9（a）和（b）所示。如图9（a）所示，随着激光功率的增加，平均CHPP的变化趋势最初减小，然后增加。图9（b）表示1000的激光功率 W是变化趋势的转折点，反映了激光焊接的不同熔透模式。

图9 不同穿透模式下CHPP的变化特征（a）CHPP的时域特征（b）平均CHPP的变动趋势。

部分熔透模式激光焊接期间（激光功率：800–900 W） KA的变化趋势与CHPP的变化趋势相反，即随着激光功率的增加，KA增加，但CHPP降低。其原因是，CHPP由锁孔的倾角β和激光束的照射位置A决定。激光束和锁孔的前壁在A处相交。点A位于气液界面的努森层中。当努森层中气化颗粒的压力超过环境压力时，气化颗粒垂直于锁孔前壁喷出，并向外产生方向力，如图10（a）所示。

图10 CHPP在不同渗透阶段的演变。

当工件被过度穿透时，图像中会有一个区域，其中光强度在锁孔中心处降低；我们将该区域称为衰减区域。如果衰减区域太大，焊道会下沉。因此，衰减区域的大小与焊接质量有关。可以通过计算衰减区域的大小来监控镀锌钢的深熔激光焊接的质量。

搭接接头中两个镀锌钢板的激光束焊接工艺示意图：（a）焊接工艺示意和（b）焊接区图像。

3.3.频域特性

图11显示了不同激光功率下KA和CHPP的频域特性。显然，频谱被划分为低频分量（0–4 kHz）和高频分量（4–10 kHz）。低频分量是频谱中的主要频率分量。在低频分量中，当激光功率等于或小于900 W、工件未完全穿透。但是，当激光功率增加到1 kW及以上时，工件被穿透，频率振幅增加。全穿透模式下的频率振幅高于部分穿透模式。

图11不同激光功率下的频域特性（a）KA的频域特性，（b）CHPP的频域特性。

通过对KA的时域分析，揭示了不同激光功率下平均KA的变化趋势。然而，KA的频率特性是通过频域分析来分析的。因此，通过使用傅里叶变换对KA的时域特性进行变换，以分析KA的频域特性。随着频率的增加，频率振幅减小，KA变化稳定。如图12所示，幅频图分为三个区域：第一个频率分量位于0–500范围内 Hz，第二频率分量位于500-4000范围内 Hz，第三频率分量位于4000–10000范围内 赫兹。

图12不同穿透模式下KA的频域特性。（a）部分穿透模式（b）完全穿透模式。

图13显示了不同穿透模式下CHPP的频域特性。CHPP的频域特性与KA相似。CHPP在0–4000范围内的频率振幅能量 Hz约占总振幅能量的70%。不同穿透模式下CHPP的主频主要集中在低频分量。4000以下CHPP频率的振幅能量 如图13（a）和（b）所示，全穿透模式下的Hz高于部分穿透模式下。CHPP频率变化特性的原因与KA相似。

图13不同穿透模式下CHPP的频域特性（a）部分穿透模式（b）全穿透模式。

图14显示了不同穿透模式的光谱重心。部分穿透模式的平均谱重心高于全穿透模式。在KA的频域特性中，不同穿透模式下的平均谱重心之间的差异很小。然而，在CHPP的频域特性中，这种差异是明显的。与部分穿透模式相比，全穿透模式下低频分量的振幅能量较高。

图14.不同穿透模式下的光谱重心（a）KA光谱重心（b）CHPP光谱重心。

3.4相关性分析

通过频域分析获得了KA和CHPP的周期变化特征。根据前面章节中的频域分析，KA的频域特性与CHPP的相似，分别如图12和图13所示。由于激光功率对KA和CHPP有显著的影响，因此采用协方差法分析了不同穿透模式下KA频率和CHPP频率的相关性。

不同穿透模式下KA和CHPP的频率协方差系数如图15所示。当协方差系数超过0.7时，KA和CHPP的频率高度正相关。

图15 KA和CHPP频率的协方差系数分布。

在部分穿透模式下，KA的频率与CHPP的频率高度相关，如图16所示。低于1500的KA频率 Hz与CHPP的相关性较小。低频分量中KA的频率受锁孔不稳定性和熔池区域的频率共振的影响。KA与CHPP的相关性不明显。

图16 部分穿透模式下KA和CHPP频率的相关分析。

全穿透模式下KA和CHPP之间的相关性小于图17所示的部分穿透模式。在全穿透模式中，KA的频率低于2000 Hz与CHPP呈高度正相关，且频率的相关区域分散。工件被穿透。锁孔和穿透孔同时存在。CHPP的变化与KA和穿透孔的变化有关。全穿透模式下KA和CHPP之间的相关性小于部分穿透模式。研究发现，KA频率与CHPP频率之间的相关性随穿透模式的不同而变化。

图17 全穿透模式下KA和CHPP频率的相关分析。

在焊接过程中，还有其他有效的方法对焊接质量进行在线监测。Xu-dong等人深入研究了CO2激光焊接过程中小孔的同轴监测。建立了CO2激光焊接熔透状态同轴监测系统，对激光深熔透的各种熔透状态进行了分类。阐述了“熔池熔透”和“中等全熔透(锁孔熔透)”的焊接条件和焊缝形成。研究了平面平板激光焊接过程中焊接工艺参数和熔透状态对同轴光信号的影响。结果表明，随着热输入的增加，当熔透状态由“熔池熔透”变为“中等完全熔透”时，信号强度的斜率变化最大。

M. Doubenskaia等研究了Nd:YAG激光搭接过程中不同厚度镀锌钢板的表面温度，建立了不同厚度镀锌钢板在不同间隙条件下搭接的表面温度与焊接质量之间的关系。Matsunawa等人使用视觉传感技术和Ar 激光器作为辅助光源研究了钥匙孔的动态行为。Ar 激光器能有效地降低等离子体的干扰，捕获成像信号。然而，由于熔池和锁孔的图像不是同轴捕获的，所以是斜的，所以不能完全观察到锁孔。Cheol-Hee Kim等人建立了Yb:YAG激光焊接的同轴监测系统，并在不同的曝光时间下，在使用不同带通范围的滤波器时，捕捉了不同焊接速度下搭接钢和不锈钢的熔池图像。

使用不同波长窄带滤光片的同轴监测比较。（a） 蓝色窄带滤波器、（b） 绿色窄带滤波器和（c） 红色窄带滤波器。

如上图所示，使用蓝色窄带滤波器捕获的焊缝区域的图像较模糊，并且无法正确显示焊池轮廓。使用绿色窄带滤光片和红色窄带滤光片拍摄的图像相对清晰，更能反映锁孔和焊池的二维形貌。通过比较图像b与图像c，可以观察到图像b中的焊池和锁孔比图像c更清晰，图像b可以更直接地反映焊接区域和锁孔。因此，与使用红色或蓝色窄带滤波器捕获的图像相比，使用绿色窄带滤光片捕获的图像质量是最好的。

4.结论

(1)在钛合金激光焊接过程中，KA和CHPP的周期变化是不稳定的。激光功率为1000 W是一个转折点，影响了KA和CHPP的变化趋势。匙孔的倾斜角度和激光束的照射位置随激光功率而变化。在部分穿透模式下，随着激光功率的增加，平均KA增加，平均CHPP降低。在全渗透模式下，CHPP的变化趋势与KA相似。

(2)在不同的穿透模式下，CHPP和KA在频域中的变化特征相似，且主导频率位于低频分量（0–4000 Hz）。在低频分量中，全穿透模式下KA和CHPP的频率振幅高于部分穿透模式下的频率振幅。部分穿透模式的平均谱重心高于全穿透模式。

(3)在低频分量中，KA和CHPP的频率之间存在高度相关性。在部分穿透模式下，KA的频率范围为1500–2600 Hz与CHPP具有高度正相关，在全穿透模式下，KA频率低于2000 Hz与CHPP具有高度正相关。通过激光焊接过程中的不同相关性来判断熔透模式。

来源：Correlation analysis of penetration based on keyhole and plasma plume in laser welding Journal of Materials Processing Technology doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.01.032

参考文献：Höfler L. Nicolosi R. Tetzlaff Camera based closed loop control for partial penetration welding of overlap joints Phys. Procedia 12 (2011) pp. 730-738

长三角G60激光联盟陈长军转载