大功率激光焊熔池形态在线识别及焊缝成形预测模型

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1、大功率激光焊熔池形态在线识别及焊缝成形预测模型第一章绪论1.1激光爆接激光具有单色性好、相干性好、亮度高以及方向性好等特点。自从20世纪60年代美国发明第一台红宝石激光器以来，随着科技的飞速发展，激光在工业生产中有了广泛的应用，并在各个工业生产部门中占据越来越重要的位置。随着激光器应用规模的不断扩大，激光器的种类也得到不断扩展，按照激光器的工作物质不同主要分为以下几类。激光加工制造是一种以激光作为材料加工手段的先进技术。在制造过程中，激光束能量密度较高、操作简便、柔性好、效率高、节能环保且制造精度高，特

2、别是能够很好的解决不同材料之间的加工、成形和精炼等问题，被称为是21世纪的绿色制造技术[1]。激光加工制造是指激光束通过聚焦并照射到工件的表面，引起工件形状发生改变，或者工件性能改变的制造过程。激光加工制造根据激光束与加工材料之间的相互作用机理，可分为光化学加工和激光热加工。光化学加工指的是将激光束照射到物体，借助高密度光子引发、进而控制光化学反应的加工过程，也称为冷加工；激光热加工是指通过将激光束聚集到被加工材料表面产生热效应，从而完成加工过程。目前激光加工制造技术主要应用在下列领域中。在激光切割中，

3、激光束经光学器件聚焦为高功率密度激光束，并照射到工件表面，使被照射的工件材料在高能量下迅速溶化、进而汽化、烧烛或达到材料燃点，同时借助高速气流吹除被激光束能量溶融的物质，从而将工件割开。激光切割技术广泛地应用于金属材料和非金属材料的切割中，可大大缩短加工时间、降低加工成本、提高工件的加工质量。1.2激光煌接过程中的溶池形态使用激光对金属材料的加工时，当激光辐照材料表面时发生光热效应，在不同的功率密度下，材料表面区域将发生不同的变化。随着材料表面的温度不断升高，金属材料被融化、汽化，在重力、蒸汽压力、表面

4、张力等共同作用下产生匙孔和等离子体现象，使得溶池形态剧烈变化。激光与材料之间相互作用的物理过程包括下列过程[1]。激光燥接过程中，得接材料在激光束的照射下获得能量，其获得的能量被转化成材料内部的热能、电能、化学能以及不同波长的光辖射能，因此辉接材料对激光束能量的吸收主要受制于：激光的波长、激光束的能量密度、材料自身的特性及激光束与辉接材料之间的作用时间长短等。激光煌接过程中，随着激光束能量被材料吸收，材料迅速汽化膨胀，产生巨大反冲压力将焰融材料抛出，从而形成匙孔。匙孔的形成对于加强激光加工制造中材料对激

5、光的吸收具有极其重要的作用，进入匙孔的激光束通过匙孔壁的多次反射而最终几乎被傳接材料完全吸收PI。在溶池内部，主要是匙孔内壁对激光束能量的吸收，称为菲涅耳吸收。菲涅尔吸收机制描述了激光在匙孔内多重反射的吸收行为。激光束照射进入匙孔后，在匙孔内壁上多次发生反射，每一次反射，激光能量被匙孔内壁吸收一部分。.第二章大功率盘型激光择溶池形态监测试验系统2.1大功率盘型激光择接的原理和特点盘型激光器（DiskLaser)的激光工作物质采用的是盘形晶体。盘型激光器具有较好的光束质量、极高的转换效率和功率调节能力，在

6、厚金属板燥接以及类电子束狭缝揮接应用方面具有经济适用和可完美加工等优点，得到了越来越广泛的应用。盘型激光工作介质晶体的很薄，且半径较大，从而使得菜浦光从晶体的正面进入，同时在晶体的背面进行及时有效地冷却，提高了激光器的可靠性。另外，薄盘形激光器能够用于对高反材料的激光加工处理，比如铜和锅等材料。此外，盘形激光器光束可通过光纤传导至安装在机器人之上的可编程聚焦光学头处，通过机器人带动激光束按程序所编的路径作高速精确的运动，完成对工件的激光煙接，从而实现燥接过程的远程控制和辉接自动化。2.2试验系统图2-1

7、给出了本文所采用的试验装置系统图，为了便于观察在图2-2给出了试验装置示意图。试验系统主要包括激光挥接设备和图像处理系统两部分。其中激光偉接设备包括德国通快公司的大功率盘型激光器TruDisk-10003、日本安川公司生产的MOTOMAN智能机器人EA1400N、加拿大赛融集团的激光燥接系统DIGI-LAS/MDL和保护气体。图像处理系统主要包括高速摄像系统、窄带滤光片和二极管激光辅助光源。日本NAC公司生产CMOS型的高速摄像设备MemrecamfxRX6是一种数字高速摄像系统，不仅能采集灰度图像，而

8、且能以极高速度采集彩色图像，其实物图如图2-4所示。该型摄像机具有高分辨率、较高的感光度和超高帖速，该摄像机支持分体模式，并且有外部同步功能，适合激光燥接头安装和各种滤波片的匹配。MemrecamfxRX6可以最大采样速率达到每秒200,000巾贞图像。该型摄像机配有图像处理软件MemrecamGXLink,通过该处理软件能够远程控制摄像机，调整摄像机参数，图像数据的格式转换以及在线播放文件等。.第三章熔池形态的三维重建........31