基于多传感器的激光焊接质量实时诊断及其理论基础

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1、华中科技大学博士学位论文基于多传感器的激光焊接质量实时诊断及其理论基础姓名：王春明申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：胡伦骥20050725华中科技大学博士学位论文摘要激光焊接作为一种优质高效的焊接方法在汽车冶金国防工业等领域得到了日益广泛的应用但由于激光深熔焊过程中能量的传递机理和物理过程非常复杂焊接质量的影响因素众多实际生产中仅控制其常规工艺参数是不够的因此为了保证激光深熔焊的质量并充分发挥其高速高效的优势加快其实用化进程对激光焊接质量监测技术的研究十分必要同时此项研究也有助于加深对激光焊接过程本质的认识首先按照虚拟仪器VirtualInstrument理念设计并研制出一套多传

2、感器激光焊接实时监测系统该系统以焊接过程中的蓝紫光辐射400~440nm红外辐射1200~1700nm以及20~20kHz的可听声等三种信号作为被检测参量能够完成信号的在线高速(200kHz)采集与记录具备时域分析频域分析以及时频分析等手段实现信号中有效信息的挖掘并能实时监测激光焊接过程的稳定性对三种信号所反映的焊接过程本质进行了深入分析三种信号可从不同的侧面反应激光焊接过程的本质实验条件下蓝紫光信号与激光功率密度有较好的线性关系受激光功率侧吹气流量影响较大受焊接速度的影响较小熔池红外信号可较好反映熔池状态如熔池堆高熔宽等与焊接线能量有较好的对应关系可听声信号可较好地反映小孔内蒸气压力的大小

3、与激光功率密度有较好的对应关系等离子体光信号可以较好地反映非穿透激光深熔焊熔深的变化在实验条件下首次建立了焊缝熔深与检测信号之间的统计关系曲线并对二者的内在联系进行了深入分析为非穿透激光深熔焊熔深的实时监测及预测提供了理论指导与实验依据等离子体振荡从频域上可分为三段2000Hz以下的低频段信号反映等离子体的强弱可用作有无等离子体产生的判据20006500Hz的中频段信号可以较好地反映有无小孔的形成可用作识别激光焊接的模式是传热焊还是深熔焊7000HzI华中科技大学博士学位论文以上的高频段信号可以较好地反映熔池与小孔的稳定性可以用作小孔稳定性的判据相对于良好的激光深熔焊过程出现间隙错边不对中辅

4、助气体流量过小热传导焊等质量问题时三路信号有着不同的变化特征根据不同缺欠时信号特征的差异提出了一种焊接缺欠识别逻辑的构造方法为进一步实现焊接缺欠的自动识别提供了可能结合不同情况下的检测信号与焊接质量对等离子体与小孔行为进行了深入分析研究发现形成等离子体的功率密度小于形成小孔的功率密度并且在深熔焊过程中等离子体先于小孔的形成实验条件下前者的形成时间约3~4ms而后者的形成时间约14ms研究表明熔池上方的等离子体由扩散等离子体和驻留等离子体组成扩散部分可被侧吹气流吹走而驻留部分是无法完全吹除的且扩散部分的存在严重影响激光能量的传输小孔的出现使等离子体振荡的幅度增大频率加快说明小孔本身也处于一种高

5、频振荡过程之中深入分析焊缝熔深的影响因素发现功率密度通过改变小孔深度来影响熔深而线能量通过改变金属熔化量来改变熔深并且前者的影响是主要的关键词激光焊接实时监测多传感器等离子体虚拟仪器II华中科技大学博士学位论文ABSTRACTLaserwelding,anefficientandhigh-qualityweldingmethod,hasbeenwidelyusedinareasofautomobile,metallurgy,andnationaldefenseindustry,etc.However,becauselaserenergytransitionandphysicalprocess

6、esoflaserweldingarenotablycomplex,aswellas,theweldingqualityisaffectedbyvariousfactors,merelyadjustingweldingparameterstoguaranteethequalityisnotsufficient.Thus,itislaserweldingqualitymonitoringthatservestobevitaltoobtainhigh-qualitydeeppenetrationwelds,toexertlaserwelding’sfeaturesofhighspeedandef

7、ficiencyanddoaccelerateitsindustrialapplicationprocess.Also,theessenceoflaserweldingprocesscanbebetterunderstoodbytheresearch.Firstofall,amulti-sensorlaserweldingprocessmonitoringsystemhasbeenbuiltupaccordi