光纖激光焊接熔池和小孔的高速攝像與分析

孟宣宣，王春明，胡席遠(yuǎn)

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

光纖激光焊接熔池和小孔的高速攝像與分析

孟宣宣，王春明，胡席遠(yuǎn)

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

采用主動(dòng)光源和光學(xué)窄帶濾光片等輔助器件，利用高速攝像技術(shù)對(duì)光纖激光焊接過(guò)程中的熔池和小孔進(jìn)行了拍攝，獲得了較為清晰的熔池和小孔圖像，以及不同激光功率下光纖激光焊接熔池和小孔的實(shí)際尺寸，可以為光纖激光焊接熔池和小孔的模擬提供可靠的參考依據(jù)。對(duì)高速攝像圖片和焊縫熔深波動(dòng)以及焊縫形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：小孔前沿附近是光纖激光焊接過(guò)程中飛濺產(chǎn)生的主要區(qū)域；利用高速攝像可以監(jiān)測(cè)焊縫的熔深變化；熔池溫度最低的區(qū)域?yàn)槿鄢睾蟛康闹休S線兩側(cè)，而非熔池邊界處。

激光焊接；熔池；小孔；高速攝像系統(tǒng)

0 前言

激光焊接由于其熱影響區(qū)小、能量密度高、升溫迅速等方面的優(yōu)勢(shì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。激光焊接分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊；激光深熔焊接以小孔的形成為基本特征。激光焊接過(guò)程中焊接速度快、冷卻速度也快，再加上高溫、高亮度、不斷變化的光致等離子體的干擾，使得對(duì)激光焊接小孔的直接觀察研究很困難，目前主要是利用數(shù)值模擬的方法或者借助其他手段間接研究小孔[1]。絕大多數(shù)的工程材料如金屬激光焊接過(guò)程中，小孔的直接觀察很困難，Arata[2]等人首次應(yīng)用透明材料觀察小孔；湖南大學(xué)金湘中[3]等人在他們的基礎(chǔ)上改善了實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)用不同的透明材料GG17獲得了更加清晰的小孔輪廓圖片；文獻(xiàn)[4]提出了一種利用X射線穿透高速攝像的技術(shù)觀察焊接小孔及其過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡；日本大阪大學(xué)Katayama Seiji等人[5－6]利用該方法解釋了連續(xù)波激光縫焊和脈沖波激光點(diǎn)焊過(guò)程中的一些機(jī)制，但圖片分辨率仍受到焊接速度等因素的限制[7]。

在此以高速攝像系統(tǒng)為研究平臺(tái)，借助高速攝像機(jī)對(duì)光纖激光焊接過(guò)程中的小孔進(jìn)行了拍攝。通過(guò)調(diào)整各部分參數(shù)在連續(xù)播放時(shí)可以達(dá)到非常清晰的效果，小孔震蕩引起的熔池波動(dòng)等特征能夠清晰的反應(yīng)出來(lái)，為激光焊接熔池和小孔的進(jìn)一步深入研究提供了直觀、便捷的通道，并且可以進(jìn)一步發(fā)展激光焊接在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

通過(guò)調(diào)整高速攝像機(jī)及其輔助元器件的相關(guān)參數(shù)拍攝光纖激光焊接熔池及其小孔圖像，優(yōu)化拍攝效果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：德國(guó)IPG光纖激光器，最大輸出功率4 kW；瑞士Photonfocus高速攝像機(jī)，采樣頻率2 000～3 000 fps；輔助光源為單激光光源，波長(zhǎng)808 nm。

由于激光深熔焊接過(guò)程中產(chǎn)生的光致等離子體本身是一個(gè)高亮度的干擾光源，普通攝像設(shè)備對(duì)熔池和小孔的直接攝像達(dá)不到預(yù)期效果。所以采用輔助背光單激光光源和光學(xué)鏡片的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)熔池和小孔的拍攝。圖2為高速攝像機(jī)鏡頭光學(xué)鏡片組合，其中衰減片為全波段衰減，用來(lái)降低進(jìn)入相機(jī)感光元器件的等離子體的整體光強(qiáng)，保護(hù)感光元器件不受過(guò)大光強(qiáng)傷害；窄帶濾光片依據(jù)背光光源選擇；鏡頭的最外層為保護(hù)玻璃，用來(lái)保護(hù)內(nèi)層光學(xué)鏡片，防止其受到飛濺的傷害。在拍攝過(guò)程中，依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整鏡片的組合。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由高速攝像圖像測(cè)得光纖激光焊接激光功率分別為4.0 kW、3.0 kW、2.0 kW時(shí)，小孔直徑、熔池寬度和熔池長(zhǎng)度各自的平均值如表1所示，可以為光纖激光焊接熔池和小孔的模擬提供可靠的參考依據(jù)。高速攝像圖片如圖3所示。

圖2 高速攝像機(jī)鏡頭光學(xué)鏡片組合

表1 不同功率條件下的小孔和熔池尺寸

圖3 熔池與小孔圖像

在單激光焊接過(guò)程中，小孔周圍熔化的液態(tài)金屬在小孔的震蕩作用下以小孔為中心向四周傳輸。

圖4為未加輔助光源時(shí)拍攝到的部分小孔和熔池圖像。從圖4中可以看出，由于小孔前沿較小，沿焊接方向傳輸?shù)囊簯B(tài)金屬撞擊小孔前沿的固態(tài)金屬產(chǎn)生飛濺，小孔前沿附近是單激光焊接過(guò)程中飛濺產(chǎn)生的主要區(qū)域。

圖4 飛濺的形成過(guò)程

向熔池后方傳輸?shù)囊簯B(tài)金屬由于小孔的周期性震蕩形成周期性波紋，如圖5所示，該波紋與焊縫表面成形有密不可分的關(guān)系；同時(shí)，這種周期性的物質(zhì)和能量傳輸與焊縫縱截面出現(xiàn)的熔深起伏(見圖6a)也有很大的關(guān)系。

圖6a為光纖激光功率4.0 kW的焊縫縱截面，熔深的波動(dòng)周期平均值為0.374 s；圖6b為該焊接過(guò)程高速攝像熔池大小波動(dòng)的一個(gè)周期，周期為0.352 s，與熔深波動(dòng)周期具有較好的對(duì)應(yīng)性；圖6c為該焊縫的表面形貌，可以非常清晰的看出熔池的周期性波動(dòng)。圖7a為光纖激光功率3.0 kW的焊縫縱截面，熔深波動(dòng)較??；圖7b為該焊接過(guò)程高速攝像熔池圖像，熔池大小比較均勻；圖7c為該焊縫的表面形貌，可以看出焊縫表面波紋比較均勻，不存在圖6c中的較大的周期性波動(dòng)，高速攝像與其具有較好的對(duì)應(yīng)性。因此，可以利用高速攝像熔池波動(dòng)圖像能間接反映焊縫熔深變化的特征來(lái)監(jiān)測(cè)焊縫熔深。

圖5 熔池波動(dòng)圖像

向熔池兩側(cè)傳輸?shù)囊簯B(tài)金屬由于兩側(cè)大于小孔前沿的液態(tài)金屬區(qū)域的緩沖作用，很少產(chǎn)生較大的飛濺，其傳輸方向因與兩側(cè)固態(tài)金屬的碰撞而發(fā)生改變，沿熔池邊界向熔池后方傳遞；圖8為使用808帶通濾光片而未加輔助光源的熔池和小孔圖片，該灰度圖片中的亮度強(qiáng)弱可以反映熔池及小孔溫度的高低。從圖8中可以看出，小孔溫度最高，其亮度已經(jīng)超出灰度圖片的最小閾值。從熔池的亮度分布可以看出其大致的溫度分布，可以比較清晰地反映出高溫液態(tài)金屬的傳輸線路，熔池溫度最低的區(qū)域?yàn)槿鄢睾蟛康闹休S線兩側(cè)，而非熔池邊界處。

圖6 焊縫縱截面、高速攝像熔池圖像以及焊縫表面形貌(激光功率P＝4.0 kW，焊接速度v＝0.8 m／min)

圖7 焊縫縱截面、高速攝像熔池圖像以及焊縫表面形貌(激光功率P＝3.0 kW，焊接速度v＝0.8 m／min)

圖8 熔池與小孔亮度分布

3 結(jié)論

在光纖激光焊接過(guò)程中應(yīng)用高速攝像技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)綜合驗(yàn)證、分析，可得到以下結(jié)論：

(1)采用合適的背光技術(shù)、光學(xué)鏡片和高速攝像參數(shù)，可以獲得較為清晰的熔池和小孔圖像。

(2)獲得了不同激光功率下光纖激光焊接小孔和熔池的實(shí)際尺寸，可以為光纖激光焊接熔池和小孔的模擬提供可靠的參考依據(jù)。

(3)小孔前沿附近是光纖激光焊接過(guò)程中飛濺產(chǎn)生的主要區(qū)域。

(4)可以利用高速攝像監(jiān)測(cè)焊縫的熔深變化。

(5)熔池溫度最低的區(qū)域?yàn)槿鄢睾蟛恐休S線兩側(cè)，而非熔池邊界處。

[1]段愛琴，陳俐，王亞軍，等.CO2激光深熔焊接小孔與熔池特征研究[A].2005年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C]，2005.

[2]Arata Y，Maruo H，Miyamoto I，et al.Dynamic Behavior of Laser Welding and Cutting[A].Proc.7th International Conf.on Electron and Ion Beam Science and Technology[C]，1976.

[3]JIN X Z，LI L J，ZHANG Y.A study on fresnel absorption and reflections in the keyhole in deep penetration laser welding[J].Journal of Physics D:Applied Physics，2002(35)：2304－2310.

[4]Arata Y.Plasma，Electron and Laser Beam Technology[M].Ohio：American Society for Metals，1986.

[5]Girard K，Jouvad J M，Boquillon J P，et al.Study of voluminal defects observed in laser spot welding of tantalum[C].SPIE.3888(2000)：418－428.

[6]Seiji Katayama，Koji Tanaka，Masami Mizutani，et al.Pulsed YAG laser spot welding under microgravity[C].SPIE.3888 (2000)：96－103.

[7]Alexander F.H.Kaplan，Masami Mizutani，Seiji Katayama，et al.On the mechanism of pore formation during keyhole laser spot welding[C].SPIE.4831(2003)：186－191.

High-speed photograph and the analysis of the welding pool and keyhole in fiber laser welding

MENG Xuan-xuan，WANG Chun-ming，HU Xi-yuan
(College of Materials Sicence and Engineering，Huazhong University of Sicence and Technology，Wuhan 430074，China)

The high-speed photograph technology，including the illumination source and bandpass filter，was utilized to shoot the molten pool and keyhole in the process of fiber laser welding，some clear images of them were obtained.The actual sizes of the molten pool and keyhole in the process of the fiber laser welding with different laser power were got，and these would provide reliable reference foundation for the simulation of the weld pool and keyhole in the process of fiber laser welding.The images，weld penetration and weld sharp were analyzed.The results showed that：the front of the keyhole is the main position where the spatters formed；the high-speed photograph technology can be used to monitor the weld penetration；the region of the molten pool which had the lowest temperature is the two sides of the axile wire of the rear part，but not the boundary of the molten pool.

laser welding；welding pool；keyhole；high-speed photograph

book=78,ebook=330

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0078－04

2010－10－11

孟宣宣(1984—)，女，安徽淮北人，碩士，主要從事激光加工和激光焊接圖像采集的研究工作。