熔深視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)

激光深熔焊接中焊縫熔深的同軸視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)

前言

激光焊接過(guò)程的監(jiān)測(cè)主要是基于聲、光、電、熱等信號(hào)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中氣孔等缺陷的形成，但對(duì)未焊透時(shí)焊縫的成型狀況特別是焊縫熔深則缺乏有效的監(jiān)測(cè)，這主要是由于很難在熔深和監(jiān)測(cè)信號(hào)之間建立一個(gè)穩(wěn)定、直接的映射關(guān)系。在過(guò)去對(duì)熔深的監(jiān)測(cè)中多采用“黑箱”模型——將監(jiān)測(cè)信號(hào)和實(shí)驗(yàn)所測(cè)的焊縫熔深直接擬合得到監(jiān)測(cè)信號(hào)與熔深之間的映射關(guān)系或者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1,2]。

同軸視覺(jué)傳感是一種先進(jìn)的激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的可視化、直接監(jiān)測(cè)。但是由于激光致等離子體和金屬蒸氣對(duì)熔池和小孔的覆蓋，使得在對(duì)激光深熔焊接過(guò)程同軸視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)過(guò)程中觀(guān)測(cè)不到小孔的底部，并且小孔同軸圖像灰度值的變化也不能表征小孔深度的變化[3,4]。因此不能利用圖像三維形狀恢復(fù)技術(shù)和小孔同軸圖像灰度值與焊縫熔深的標(biāo)定曲線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光深熔焊接過(guò)程中焊縫熔深的監(jiān)測(cè)。

盡管小孔的同軸視覺(jué)圖像不能反映出小孔底部的三維形狀和深度信息，但仍然能夠反映出小孔底部的徑向形狀和大小[3,4]。因此可以通過(guò)圖像處理提取出小孔的徑向尺寸。本文在提取出小孔徑向尺寸的基礎(chǔ)上基于Nd:YAG激光深熔焊接過(guò)程中小孔前壁材料蒸發(fā)滿(mǎn)足的能量條件來(lái)求解小孔的深度，并基于所提取出的小孔的深度實(shí)現(xiàn)了激光深熔焊接過(guò)程中焊縫熔深的直接監(jiān)測(cè)。

本文中焊縫熔深監(jiān)測(cè)是基于圖像處理結(jié)果和焊接過(guò)程中小孔前壁滿(mǎn)足的能量平衡進(jìn)行的，不依賴(lài)于等離子體的輻射光強(qiáng)，是一種直接監(jiān)測(cè)的方法。

1. 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用的激光器是額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1.06μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200mm的透鏡聚焦后的激光束焦點(diǎn)直徑為0.6mm；工件為250×100×1.8mm的Q235鋼板，同軸保護(hù)氣為Ar氣。

小孔同軸視覺(jué)圖像的采集采用自主開(kāi)發(fā)的Nd:YAG激光焊接過(guò)程同軸視覺(jué)傳感系統(tǒng)。

對(duì)所采集的小孔和熔池的同軸視覺(jué)圖像，經(jīng)平滑濾波除噪和同態(tài)濾波增強(qiáng)的預(yù)處理后，基于閾值分割技術(shù)提取出小孔和熔池的邊緣，利用Hough變換擬合得到小孔內(nèi)外邊緣的曲線(xiàn)方程，從擬合結(jié)果中得到小孔的徑向尺寸。

2. 小孔前壁的能量平衡

在給定焊接規(guī)范下，當(dāng)焊接過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，小孔也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)：小孔深度和焊縫熔深不再變化，接受激光束輻照的小孔前壁材料不斷熔化和氣化，孔內(nèi)脫離激光輻照的金屬等離子體不斷復(fù)合成金屬蒸氣并和孔內(nèi)未電離的且不在激光輻照區(qū)域內(nèi)的金屬蒸氣一起液化形成小孔的后部。這樣隨著激光束在工件表面上的連續(xù)掃描，小孔前壁的材料不斷氣化：

(a)小孔的同軸圖像

(b)小孔邊緣的Hough變換擬合結(jié)果

焊接過(guò)程不斷地進(jìn)行。

小孔前壁吸收的激光能量除了使材料達(dá)到氣化狀態(tài)并使金屬蒸氣具有一定的動(dòng)能外，還有一部分能量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞到母材中去。因此小孔前壁不斷氣化滿(mǎn)足的能量條件為：

EA=EV EK EL（1）

式中：EA——被小孔前壁吸收的激光束能量；

EV——小孔前壁氣化所需要的能量；

EK——蒸發(fā)后金屬蒸氣的動(dòng)能，為能量損失；

EL——通過(guò)熱傳導(dǎo)損失的能量。

由于金屬蒸氣的動(dòng)能EK與材料蒸發(fā)所需要的能量EV相比很小，可以忽略不計(jì)[5]。由小孔經(jīng)熱傳導(dǎo)傳遞到液態(tài)層和母材中能量EL和材料蒸發(fā)所需要的能量EV之間近似有如下關(guān)系[4]：

（2）

式中：ε——為熱傳導(dǎo)造成的能量損失與材料蒸發(fā)所需的能量之比；

I——單位質(zhì)量的材料蒸發(fā)所需要的能量；

——材料的比熱；

TV——材料的沸點(diǎn)。

因此，小孔前壁的能量平衡條件可簡(jiǎn)化為：

EA=(1 ε)EV（3）

在激光深熔焊接過(guò)程中，輻照在小孔前壁的激光功率密度是小孔前壁材料蒸發(fā)的決定性因素；考慮到計(jì)算小孔前壁的體積及其消耗的能量需要較多的假設(shè)條件，將會(huì)產(chǎn)生很大誤差。因此，以單位面積的材料蒸發(fā)所需要的能量密度為基礎(chǔ)建立小孔前壁材料氣化的能量平衡方程。

用功率密度表示的小孔前壁氣化過(guò)程中滿(mǎn)足的能量平衡方程為

（4）

式中：A——工件材料對(duì)Nd:YAG激光的吸收率；

Q——激光功率；

R——激光光斑半徑；

ρ——材料密度；

Vd——小孔前壁加深的平均速度。

在方程（4）中，只有小孔前壁平均加深速度是與小孔深度緊密相關(guān)的未知量。

3. 小孔深度的求解

包括3.1小孔平均加深速度的求解3.2小孔深度求解方程的建立和3.3小孔深度的求解。

3.1 小孔平均加深速度的求解

小孔前壁的加深速度是由輻照在其上方的激光焊接體能量所決定的，其瞬時(shí)下降速度受各種條件的限制很難將其求出。因此，根據(jù)小孔的徑向尺寸來(lái)求解小孔前壁的平均加深速度。

橢球面，短軸直徑為提取出的小孔內(nèi)邊緣的寬，長(zhǎng)軸直徑為提取出的小孔內(nèi)邊緣的長(zhǎng)，且小孔最深處的水平位置與小孔內(nèi)邊緣中心的水平位置重合。在τd時(shí)間內(nèi)，小孔前壁的材料從工件表面加深至小孔的最深處，其深度方向上的位移為小孔深度hk，而激光束在焊接方向上對(duì)工件的掃描距離為L(zhǎng)d，則有：

（5）

式中：hK——小孔深度；

Lo——提取出的小孔外邊緣的長(zhǎng)度；

"para" label-module="para">

V——為焊接速度。

則從（5）式可得小孔前壁的平均加深速度為：（6）

3.2 小孔深度求解方程的建立

將（6）式代入到（4）式整理可得小孔深度為

（7）

將激光光斑半徑R隨離焦量"_blank" href="/item/z變化/7765991" data-lemmaid="7765991">z變化的擬合關(guān)系式R=11.56"para" label-module="para">

（8）

式中："para" label-module="para">

式（8）即為在激光功率為Q，焊接速度為V，離焦量為"para" label-module="para">

在激光深熔焊接過(guò)程中，小孔處在液態(tài)金屬的包圍中，小孔的前壁是具有一定厚度的液態(tài)金屬層。因此，本文認(rèn)為小孔前壁下降是從液態(tài)金屬表面開(kāi)始的。因此，（8）式中材料的熱物理參數(shù)分別取ρ為材料液態(tài)時(shí)的密度，I為單位質(zhì)量的材料從液態(tài)到氣態(tài)的氣化過(guò)程中所需要的能量，取材料的比熱在材料熔點(diǎn)TM到沸點(diǎn)TV范圍內(nèi)的平均值為，則單位質(zhì)量的液態(tài)材料氣化所需要的能量I為：

（9）

式中：LV——為材料的汽化熱；

TM——為材料的熔點(diǎn)。

3.3 小孔深度的求解

小孔前壁為一傾斜的斜面，因此在小孔深度的求解過(guò)程中，激光功率密度不能按照輻照在工件表面的激光功率密度處理。鑒于小孔前壁加深速度為一平均值，因此小孔深度求解方程中的激光功率密度按小孔半深處的激光功率密度作為輻照在小孔前壁的平均激光功率密度處理。將小孔深度求解方程修正為：

(10)

這樣小孔深度求解方程變成一個(gè)5階非線(xiàn)性方程，其根不能用根式或解析式表示[6]，方程（10）需要用數(shù)值法求解。

對(duì)方程（10）的結(jié)構(gòu)分析可以看出，方程（10）的右邊可分為三項(xiàng)：第一項(xiàng)為系數(shù)項(xiàng)；最后一項(xiàng)與由同軸視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)提取出的小孔的二維徑向特征參數(shù)和材料的熱物理參數(shù)有關(guān)；而第二項(xiàng)是與焊接規(guī)范參數(shù)有關(guān)的項(xiàng)，物理意義為單位面積上的焊接線(xiàn)能量（或單位時(shí)間內(nèi)激光功率密度），其被定義為焊接體能量。

焊接體能量qV的定義為[4]：

（11）

則方程（10）又可表示為

（12）

從（12）式中可以看出，在激光深熔焊接過(guò)程中，小孔深度的變化將會(huì)引起輻照在小孔前壁的焊接體能量的變化；反之，焊接體能量的變化又將導(dǎo)致小孔深度的變化，二者相互影響。因此，以（12）式為基礎(chǔ)通過(guò)迭代可求得小孔深度。

4. 基于小孔深度的焊縫熔深的監(jiān)測(cè)

包括4.1焊縫熔深的提取4.2焊縫熔深監(jiān)測(cè)值的驗(yàn)證和4.3工件焊透的判斷。

4.1 焊縫熔深的提取

由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很薄[4,5]，對(duì)焊縫熔深的影響不大，因此本文以小孔深度作為焊縫熔深來(lái)處理。則分別測(cè)量不同焊接規(guī)范參數(shù)下的焊縫熔深來(lái)驗(yàn)證由同軸視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)到的焊縫熔深。

4.2 焊縫熔深監(jiān)測(cè)值的驗(yàn)證

(a)焊縫熔深監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的比較

(b)監(jiān)測(cè)誤差

(a)焊縫熔深監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的比較

(b)監(jiān)測(cè)誤差

(a)焊縫熔深監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的比較

(b)監(jiān)測(cè)誤差

(a)焊縫熔深監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的比較

(b)監(jiān)測(cè)誤差

在工件未焊透時(shí)，焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性，其監(jiān)測(cè)誤差最大不超過(guò)12%，最大誤差為11.76%，而且是在不太常用的大離焦量下所監(jiān)測(cè)到的；而在常用的小離焦量下，焊接規(guī)范參數(shù)的變化過(guò)程中未焊透時(shí)焊縫熔深的監(jiān)測(cè)誤差都不超過(guò)10%。較小的監(jiān)測(cè)誤差說(shuō)明，工件未焊透時(shí)對(duì)焊縫熔深的監(jiān)測(cè)是比較準(zhǔn)確的。

在工件焊透時(shí)，焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值明顯大于工件厚度，具有很大的監(jiān)測(cè)誤差。這主要是由于在工件焊透時(shí)有一部分激光束能量透過(guò)孔底液態(tài)金屬薄層而損耗在工件之外，但在熔深監(jiān)測(cè)過(guò)程中并沒(méi)有考慮這部分能量損耗而造成的誤差。另外，隨著焊接體能量的增大，透過(guò)孔底液態(tài)金屬層損耗的激光能量也就越多，造成的監(jiān)測(cè)誤差也就越大。

4.3 工件焊透的判斷

由于工件焊透后焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值明顯大于工件厚度，因此可以直接利用焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值和工件厚度比較來(lái)判斷工件是否被焊透。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工件剛剛焊透時(shí)的焊縫背面成形并不是連續(xù)的，而是斷斷續(xù)續(xù)的，而這些不連續(xù)的焊點(diǎn)在對(duì)接的情況下將會(huì)成為裂紋起始點(diǎn)和應(yīng)力

集中點(diǎn)而成為焊接缺陷。因此本文將這情況列為未焊透的狀態(tài)。為了避免在監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)這種情況出現(xiàn)誤判，本文在焊透的判斷過(guò)程中預(yù)設(shè)一定的判斷裕量。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況取工件厚度的8%，即焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值不小于工件厚度的1.08倍時(shí)，認(rèn)為工件是完全焊透的，否則認(rèn)為工件未焊透。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在工件焊透狀況判斷過(guò)程中考慮一定的判斷裕量提高了判斷的準(zhǔn)確性和可靠性。

5. 結(jié)論

在由同軸視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)提取出的小孔徑向尺寸和小孔前壁材料氣化滿(mǎn)足的能量平衡的基礎(chǔ)上推導(dǎo)建立了小孔深度提取的迭代方程?；谠谕S視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)中所提取出的小孔深度實(shí)現(xiàn)了Nd:YAG激光深熔焊接過(guò)程中焊縫熔深的直接監(jiān)測(cè)和工件焊透的判斷。

焊縫熔深監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的比較表明，工件未焊透時(shí)，焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值具有較好的一致性，其監(jiān)測(cè)誤差一般不超過(guò)12%；而工件完全焊透后，焊縫熔深的監(jiān)測(cè)值明顯大于工件厚度。

在工件是否焊透的判斷中，通過(guò)預(yù)設(shè)工件厚度的8%為判斷裕量提高判斷結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，避免在工件剛剛焊透對(duì)焊縫背面不連續(xù)成形出現(xiàn)誤判。2100433B

激光焊接體能量及其對(duì)焊縫熔深的影響

激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過(guò)程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來(lái)表征激光光斑及焦點(diǎn)尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。

在電弧焊中，人們常采用焊接線(xiàn)能量或熱輸入(二者的單位均為J·m-1)來(lái)描述和評(píng)價(jià)焊接過(guò)程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，但是這兩個(gè)參數(shù)都沒(méi)有考慮電弧作用面積對(duì)焊縫熔深的影響。

如果用電弧焊中的焊接線(xiàn)能量或熱輸入來(lái)綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點(diǎn)尺寸對(duì)焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來(lái)評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。

在激光焊接的研究中，還沒(méi)有一個(gè)參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程的影響。為了綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過(guò)程中焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響。

1. 焊接體能量的定義

為了能夠綜合評(píng)價(jià)激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊接體能量qV的定義為：

（1）

式中：Q——激光功率；

V——焊接速度。

S——為輻照在小孔內(nèi)的激光束光斑面積，實(shí)驗(yàn)用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關(guān)系的擬合關(guān)系式為[1]：

式中："para" label-module="para">

R0——激光束焦點(diǎn)半徑。

因此，焊接體能量又可以表示為：

從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時(shí)間內(nèi)的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線(xiàn)能量，其單位為J·m-3，不同于電弧焊中焊接線(xiàn)能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。

從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點(diǎn)半徑計(jì)算得出。焊接體能量隨激光功率、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關(guān)系，與焊接速度成反比關(guān)系，與焦點(diǎn)尺寸成平方關(guān)系，而與離焦量成指數(shù)關(guān)系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。

2. 焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響

2.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用的激光器為額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1.06μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為0.3mm，工件為250×100×1.8mm的Q235鋼板，同軸保護(hù)氣為Ar氣。

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)離焦量

本文的主要目的在于研究焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測(cè)量工件未焊透時(shí)的焊縫熔深。

通過(guò)激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實(shí)現(xiàn)了焊接體能量的變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示。

2.2 焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響

在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對(duì)小孔輻照時(shí)間的長(zhǎng)短，而Q/S或則表明了輻照在孔內(nèi)的激光功率密度的大小。因此，輻照在小孔孔內(nèi)的焊接體能量從激光輻照時(shí)間和功率密度兩方面影響、決定著小孔深度和焊縫熔深。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小[1-3]，其對(duì)焊縫熔深的影響很小，因而在激光深熔焊接研究中，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來(lái)處理。

表1焊接規(guī)范參數(shù)的變化

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)離焦量

焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率增大而增大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時(shí)間內(nèi)將有更多的激光束能量輻照到小孔底部，激光束對(duì)孔底的輻照加熱作用增強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料越多，焊縫熔深也就越深。

焊接體能量與焊接速度呈反比關(guān)系，隨著焊接速度的加快，激光束對(duì)小孔的輻照時(shí)間越短，輻照在小孔內(nèi)的焊接體能量就越小，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺。

焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關(guān)系，且在理論上關(guān)于"_blank" href="/item/輻照/10017725" data-lemmaid="10017725">輻照在小孔內(nèi)的激光光斑就越小，激光功率密度就越大，焊接體能量也就越大，

對(duì)孔底材料的轟擊也就越強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料也就越多，焊縫熔深也就越深。

從上面的分析可知，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線(xiàn)性變化。焊接體能量越大，則單位時(shí)間、單位面積內(nèi)工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也就越多，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深。

從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量綜合了激光功率、焊接速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響。

此外，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出，焊接體能量與激光束焦點(diǎn)半徑成平方關(guān)系，能夠體現(xiàn)激光束焦點(diǎn)大小對(duì)焊縫熔深的影響。激光束焦點(diǎn)尺寸越小，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深?；蛘哒f(shuō)，在一定的焊接體能量下，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點(diǎn)越小，則所需要的激光功率也就越小。因此，可采用強(qiáng)聚焦的方法減小激光束焦點(diǎn)尺寸，從而達(dá)到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的，這一點(diǎn)已被國(guó)外有關(guān)研究成果所證明[4]。

3. 結(jié)論

（1）定義激光焊接體能量，其由激光功率、焊接速度及離焦量計(jì)算得到。

（2）焊接體能量與激光功率呈正比、焊接速度呈反比、離焦量呈指數(shù)關(guān)系，激光束焦點(diǎn)尺寸越小，焊接體能量越大。

（3）焊縫熔深隨著焊接體能量的增大而近似呈線(xiàn)性增大。焊接體能量能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響。

穿孔等離子弧焊的熔深檢測(cè)

小孔型等離子弧焊具有熱輸入能量集中，焊縫深寬比大，焊接效率高以及可以在中厚管、板材料焊接時(shí)實(shí)現(xiàn)一次焊透，單面焊雙面成形等特點(diǎn)。但小孔的不穩(wěn)定使等離子弧焊不能獲得良好的焊縫成形，大大限制了等離子弧焊的廣泛應(yīng)用。在等離子弧熔透控制、小孔控制方面，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的研究，先后提出了多種小孔行為的檢測(cè)方法，如尾焰電壓、電弧弧光強(qiáng)度、聲音信號(hào)、熔池圖像信號(hào)、多傳感信息融合等，取得了許多成果，但這些方法僅能提供小孔是否穿透的信息，而不能夠或不能很清晰、很準(zhǔn)確地反映熔池熔深的情況，在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠且低成本的等離子弧熔透控制傳感器，成為等離子弧熔透控制亟待解決的問(wèn)題。

該研究首次利用鞘層電壓來(lái)獲知等離子云噴射角，獲知熔深熔透的情況，從而為等離子弧焊接質(zhì)量控制提出了新的研究方向。

1. 等離子云及其形態(tài)變化

所謂等離子云，就是在等離子弧焊接過(guò)程中，由于等離子弧的能量高度集中、密度大、溫度高、焰流速度大，在等離子弧與金屬作用區(qū)內(nèi)，金屬蒸發(fā)極為劇烈，形成的高溫金屬蒸氣和焊接保護(hù)氣體在電弧作用下發(fā)生離解，當(dāng)焊接小孔未形成時(shí)，在焊接等離子弧的尾部(與焊接方向相反)出現(xiàn)一個(gè)自熔池射出的小弧，其形狀就像一個(gè)翅膀，因此，稱(chēng)它為弧尾翼或等離子弧反翹或等離子云。在文獻(xiàn)[5]中，詳細(xì)介紹了小孔形成與閉合時(shí)電弧形態(tài)的變化。小孔從無(wú)到有，等離子云也完成一個(gè)周期的擺翹，即在小孔形成前，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，或者說(shuō)，隨著焊接熔深的增大，等離子云與工件表面之間的夾角θ也逐漸增大。在小孔即將形成時(shí)，其夾角θ達(dá)到最大值，此后，等離子云迅速下擺，在工件背面尾焰出現(xiàn)，即小孔形成。也就是說(shuō)，當(dāng)焊接小孔形成后，從焊接熔池正面已經(jīng)看不到電弧等離子云了，或者是等離子云上擺很小。因此，電弧等離子云的形態(tài)可以表征焊接熔池小孔或者熔深的特征信息。

2. 試驗(yàn)系統(tǒng)和條件

試驗(yàn)系統(tǒng)是由馬來(lái)西亞生產(chǎn)的TG300P電源，ThermalDynamics公司生產(chǎn)的PWM300專(zhuān)用等離子弧焊槍?zhuān)琍LC進(jìn)行自動(dòng)控制器，循環(huán)冷卻系統(tǒng)，探針檢測(cè)裝置，馬來(lái)西亞Agilent公司生產(chǎn)的記憶示波器S4622A等組成。焊接時(shí)焊槍固定不動(dòng)，探針位置也固定，小車(chē)帶動(dòng)工件移動(dòng)。探針檢測(cè)裝置電容為0.01μF，電阻為9MΩ。焊接材料是45*低碳鋼，記憶示波器S4622A記錄鞘層電壓變化情況，工件接示波器正端，探針接示波器負(fù)端。通過(guò)檢測(cè)電路中的電壓信號(hào)就可以檢測(cè)到等離子云的特征信息，從而得到等離子云噴射角的特征行為信息，最終得到等離子云噴射角與熔池熔深的信息。

3. 探針檢測(cè)原理

探針檢測(cè)實(shí)際上是利用了等離子體鞘層理論。所謂等離子體中的“鞘層”理論，就是當(dāng)一個(gè)冷的物體浸入等離子體時(shí)，等離子體表現(xiàn)出與普通氣體截然不同的性質(zhì)，若物體表面是不發(fā)射離子的或吸收離子的，則在物體進(jìn)入等離子體后，物體表面形成一個(gè)帶負(fù)電位的薄層暗區(qū)，這個(gè)薄層被稱(chēng)為“鞘層”，它把等離子體與物體分開(kāi)。在這一區(qū)域，電子數(shù)和正離子數(shù)是不同的，明顯偏離電中性，其電位也是單調(diào)遞增的。采用探針檢測(cè)等離子云時(shí)，是將探針插入等離子體中，由于工件為參考“地”電位，因此，探針與工件之間可以檢測(cè)到一負(fù)電壓值，該電壓即是其“鞘層電壓”，這就是在無(wú)源探針檢測(cè)法中無(wú)需外加電源的原因。

4. 等離子云噴射角的檢測(cè)

無(wú)外加電源探針檢測(cè)等離子云的目的主要是為了對(duì)小孔等離子弧焊接的熔透熔深進(jìn)行控制。在某個(gè)給定的焊接電流下，將探針從遠(yuǎn)處逐漸向等離子云中心移動(dòng)。探針檢測(cè)到的鞘層電壓隨著探針距等離子云中心距離的減小而不斷增大，當(dāng)探針達(dá)到等離子云中心位置(C點(diǎn))時(shí)，鞘層電壓最大，這時(shí)點(diǎn)C與電弧中心點(diǎn)O連線(xiàn)與工件之間的夾角θ就是給定焊接電流下的等離子云噴射角。測(cè)出點(diǎn)C的x方向上的長(zhǎng)度和y方向上的長(zhǎng)度，可求出相應(yīng)的等離子云噴射角θ。為了進(jìn)行焊接熔深及熔透控制，還需要知道此焊接電流所對(duì)應(yīng)的熔深。這樣，才能找出等離子云噴射角與熔深的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)熔透控制。把不同焊接電流下的焊縫切開(kāi)分別測(cè)其熔深，可以知道等離子云噴射角與熔深的關(guān)系。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)等離子云噴射角來(lái)獲得熔深的狀態(tài)，以便在焊接過(guò)程中獲取可以反映工件熔透狀態(tài)、表征小孔特征行為的信息，從而進(jìn)行焊接熔深及熔透控制。使電流從55~85A之間變化，然后分別找出不同焊接電流、等離子云噴射角及熔深的對(duì)應(yīng)關(guān)系。把不同焊接電流下的焊縫切開(kāi)來(lái)經(jīng)過(guò)處理，可以測(cè)出相應(yīng)的焊縫熔深。在其他焊接參數(shù)不變的條件下，隨著焊接電流的增大，焊接熔深增加，為了找出不同電流的熔深與等離子云噴射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需測(cè)出不同電流的熔深及相應(yīng)的等離子云噴射角。使電流從55~85A之間變化，然后分別找出不同焊接電流、等離子云噴射角及熔深的對(duì)應(yīng)關(guān)系。把不同焊接電流下的焊縫切開(kāi)來(lái)經(jīng)過(guò)處理，可以測(cè)出相應(yīng)的焊縫熔深。在其他焊接參數(shù)不變的條件下，隨著焊接電流的增大，焊接熔深增加，為了找出不同電流的熔深與等離子云噴射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需測(cè)出不同電流的熔深及相應(yīng)的等離子云噴射角。不同焊接電流下的熔深、等離子云噴射角及相應(yīng)檢測(cè)到的鞘層電壓，隨著焊接電流的增大，熔深增大，對(duì)應(yīng)的等離子云噴射角也增大，當(dāng)焊接電流為85A，小孔即將形成時(shí)，或者說(shuō)工件即將熔透時(shí)，噴射角達(dá)到最大。用坐標(biāo)的形式可以更明顯地顯示出熔深與等離子云噴射角的關(guān)系，該關(guān)系曲線(xiàn)為等離子弧焊接的熔深熔透的控制奠定了基礎(chǔ)。

5. 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，等離子云噴射角在小孔熔透控制中有著重要的作用，它是表征小孔熔透特征信息的重要參數(shù)，通過(guò)檢測(cè)等離子云噴射角的大小可以判斷熔深情況。在小孔等離子弧焊接中，可通過(guò)檢測(cè)等離子云噴射角的變化來(lái)獲取熔深的信息，再通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流來(lái)實(shí)現(xiàn)熔透控制。