TC4钛合金光纤激光焊接熔池尺寸与近红外光信号之间的关系

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1、TC4钛合金光纤激光焊接熔池尺寸与近红外光信号之间的关系RelationshipBetweenMoltenPoolSizeandNear-infraredLightSignalDuringFiberLaserWeldingofTC4TitaniumAlloy武汉理工大学材料科学与工程学院刘飞汪选国中航工业北京航空制造工程研究所段爱琴【摘要】利用光信号实时监测系统对TC4钛合金光纤激光焊接熔池近红外光信号进行监测，探讨了熔池尺寸与近红外光信号之间的关系。试验结果表明，近红外光信号强度与熔池表面尺寸之间存在线性关系，在穿透型与非穿透型小孔条件下

2、，二者之间的线性关系式不同：近红外光信号强度与熔深之间存在较为明显的二次曲线关系。关键词：钛合金光纤激光焊接熔池尺寸近红外光信号【ABSTRACTl0pticalsignalreal—timemonitoringsystemwasutilizedtomonitorthemoltenpoolnear-in仃a—redlightsignalduringfiberlaserweldingofTC4titaniumalloy，analyzedtherelationshipbetweenmoltenpoolsizeandnearin疔aredsign

3、al．Itwasshowedthatthereisalin-earrelationshipbe铆eennear-in触redlightsignalstrengthandsurfacesizeofmoltenpool，undertheconditionofpenetratiOntypeandnonpenetratingholes，thelinearre-lationbeMeenthemisdifrerent；andthereisarelativelyobViousquadraticcurverelationshipbe觚eennear-in仔

4、aredlightsignaIstren舀handpenetration．KeywOrds：Titaniuma¨oyFiberlaserweldingmOltenpoolsizeNea卜infraredIightsignalDOI：10．16080们ssnl67l一833x．2015．19．114钛合金由于比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁，被广泛应用于航空航天等军用领域⋯。同时结合焊接技术，以焊代铆，对于减轻结构重量和提高飞行速度具有重要作用。与传统焊接技术相比，激光焊接具有能量集中、焊缝成形好、焊件变形小、操作简单、生产效率高等优势，因而成

5、为钛合金焊接的主导方向。目前，关于钛合金激光焊接的大量研究主要集中于C02和YAG激光焊，但近年来随着光纤激光器的高速发展，光纤激光器以其高效率、大功率、高光束质量以及散热性能好、稳定性高等优势而被认为是高速、大深熔焊接最适当的热源114航空制造技术·2015年第19期之一[2】，得到广泛关注和推广。目前军用领域对焊接质量要求越来越高，钛合金光纤激光焊接的研究具有重要的研究背景。在所有熔化焊工艺中，熔池特征决定焊缝成形，熔池形状尺寸、温度场和动态变化是影响焊缝内在质量和外表成形好坏的主要因素【3】，实时监测熔池形貌和稳定性对于指导焊接工艺和

6、保证焊接质量具有重要作用。高向东等[41利用高速红外摄像仪研究发现光纤激光焊接中，熔池温度梯度参数与激光束和焊缝的偏离程度成线性关系；P·G·Sanders等

7、5】利用红外传感器发现熔池红外光信号强度与焊接熔深之间具有线性关系；Y0usukeKawahito等呻l在光纤激光焊接中利用高速摄像研究熔池特征，并利用熔池辐射光和反射光信号对焊接过程进行反馈控制。1试验条件与方法试验材料为2．5mm和6．0mm厚TC4。试验设备有：德国IPc公司YLs一5000型光纤激光器，最大输出功率5kw，光斑直径0．3mm；加拿大MegaSpeedCorp．

8、公司MegaMs55K型高速摄像机，最大像素1280×1024，最高拍摄速度5000叫s；自主研发的激光焊接光信号实时监测系统。本文在TC4钛合金光纤激光焊接过程中，利用光信号实时监测系统采集熔池正面近红外光辐射信号，以高速摄像机配合适当滤光片为辅助来获取正面熔池视觉图像，以此来分析熔池尺寸与光信号之间的关系。2试验结果与分析2．1TC4钛合金光纤激光焊接熔池近红外光信号典型特征图1(a)为典型的TC4钛合金光纤激光焊接熔池近红外光原始信号，可以发现原始信号由直流和波动2部分组成。根据普朗克辐射曲线可知，高温金属蒸气／等离子体在近红外段同样

9、具有很高的辐射度，所采集的——Q工竖呈垦墨．．．：!生近红外光原始信号不仅来自于熔池，还有一部分来自于金属蒸气／等离子体，所以原始信号直流部分表征熔池的红外辐射，波动部分表征高频