激光焊接光譜及匙孔圖像的采集與分析

趙杰魁 ，魏 昕 ，陳樹青 ，王 豪 ，2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州機械科學(xué)研究院，廣東 廣州 510700）

1 引言

激光焊接具有能量密度高，加熱和冷卻速度快，焊接熱輸入小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小和易于實現(xiàn)自動化等特點，因此其在汽車，船舶，軍工等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用[1-2]。通過視覺圖像信息直接監(jiān)測焊接熔池已成為重要的研究和應(yīng)用方向[3-5]。按熔池的形成機理區(qū)分，激光焊接分為兩種典型的焊接模式：熱導(dǎo)焊接和深熔焊接。激光深熔焊接過程中，高輻射照度的激光束作用于工件表面而產(chǎn)生一個小孔，亦稱之為匙孔，其形成是激光深熔焊接最本質(zhì)的標(biāo)志特征。當(dāng)焊接熱輸入足夠時，匙孔穿透工件，焊縫背面瞬間形成穿透孔。在激光焊接穿透孔圖像研究方面，目前的研究成果主要集中在厚度為2mm 以內(nèi)的薄板，尚未發(fā)現(xiàn)有對厚2mm 以上的工件進(jìn)行穿透孔圖像相關(guān)研究的報道[6-9]。

根據(jù)視覺傳感系統(tǒng)中的成像光源是輔助光源還是焊接過程中產(chǎn)生的光，焊接實時采集焊縫圖像的方法主要分為主動式直接視覺傳感和被動式直接視覺傳感[10]。主動式直接傳感使用激光等高亮度光源作為輔助光源，通過合理設(shè)置特定波長輔助光源的入射角度和亮度等，能夠采集到清晰的匙孔，熔池和焊縫區(qū)域的圖像。但采用主動式直接視覺傳感由于需要使用激光等特定波長的高亮度輔助光源，對相機要求高，整個系統(tǒng)變得更加昂貴和復(fù)雜，調(diào)整也相對困難。被動式直接視覺傳感利用焊接時的自發(fā)光進(jìn)行成像，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，使用方便，因而它是目前激光焊接視覺系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的視覺傳感方法。通過同軸視覺傳感系統(tǒng)直接采集到的焊接區(qū)域圖像會包含很多干擾信息，需要在視覺傳感器前采用合適的濾光組件對干擾信息進(jìn)行過濾和衰減。綜合上述考慮，使用光譜儀在水平方向采集激光焊接奧氏體不銹鋼時產(chǎn)生的光譜，分析強光波段的主要分布范圍，采用合適的濾光片和衰減片構(gòu)成復(fù)合濾光組件，搭建同軸被動式視覺傳感系統(tǒng)，對光纖激光焊接4mm 厚不銹鋼的焊接區(qū)域圖像進(jìn)行了采集實驗，獲得了清晰的匙孔及穿透孔圖像，并對焊縫截面形狀進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 激光焊接同軸視覺傳感系統(tǒng)的構(gòu)建

光纖激光焊接熔池圖像檢測系統(tǒng)，如圖1 所示。采用的激光器最大輸出功率為3300W，中心波長為1080nm，激光模式為基模，連續(xù)輸出。激光經(jīng)焊接頭內(nèi)部的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后，焦點光斑的直徑約為0.32mm。采集圖像的相機最大分辨率為（1600×1200），全分辨率下每秒所采集的最大幀數(shù)為53，通過調(diào)整圖像的分辨率和設(shè)定合理的傳感區(qū)域可以改變幀率，達(dá)到更高的采集速率。為了實現(xiàn)光纖激光焊的視覺同軸檢測，依靠兩塊與水平線夾角為45°的分光鏡將焊接區(qū)域的視覺信號反射，如圖1 所示。將復(fù)合濾光組件置于相機鏡頭的前方，用于濾除和衰減激光焊接時所產(chǎn)生的大部分干擾強光。熔池視覺信號通過濾光組件和相機的采集及傳輸?shù)龋罱K可以在計算機上實時顯示和保存焊接過程的圖像。

圖1 激光焊接熔池圖像監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Laser Welding Pool Image Monitoring System

3 激光焊接過程中的光譜分析

要獲得清晰的匙孔圖像信息，需要使用光譜儀測定激光焊接時產(chǎn)生的弧光，等離子體和金屬蒸氣等干擾信息的輻射波段范圍。將光譜儀的光纖探測頭在水平方向?qū)?zhǔn)熔池上方2mm 測量，可以認(rèn)為該檢測結(jié)果主要反映了的焊接弧光，等離子體和金屬蒸氣的輻射光譜。實驗采用的光譜分析儀的波長探測范圍為（400～1100）nm，光譜信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)焦庾V儀，光譜數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦，在軟件上可以顯示實時的光譜信息。由于激光的中心波長為1080nm，為了減少輻射強度相對極高的激光對光譜圖的影響，將光譜探測范圍設(shè)置為（400～1050）nm。焊接光譜采集實驗過程中，采用氮氣作為保護(hù)氣體，氣流量固定為25L/min，焊接速度為20mm/s，離焦量為0mm，分別使用1800W、2200W、2600W 和3000W 的激光功率對4mm 厚的不銹鋼進(jìn)行堆焊。水平采集光譜的結(jié)果，如圖2 所示。橫坐標(biāo)為波長，單位是nm，縱坐標(biāo)為計數(shù)，即接收到光子的數(shù)目，代表相對輻射強度。從光譜圖可以看出，其他工藝參數(shù)不變時，激光功率越大，對應(yīng)波段的光子數(shù)目也越多。這是因為激光功率越大，激光與工件加工產(chǎn)生的弧光的亮度越強，等離子體和金屬蒸汽的產(chǎn)生也越多，所以光譜儀接受到對應(yīng)波段的光子數(shù)越多，即輻射強度越強。還可以從以上的光譜圖看出，激光深熔焊接時，其他工藝參數(shù)不變，改變功率的大小，光譜儀探測到的光的波段強弱分布情況并沒有發(fā)生變化，相對高亮度的光基本上集中分布在（540～700）nm 這個波段范圍里面，部分強光分布在780nm 這個波段附近。為了采集清晰的匙孔的圖像，需要采用合適的濾光片，大幅度減少焊接弧光、等離子體和金屬蒸氣輻射，并且能較高效地通過包含匙孔圖像信息的熔池輻射；另外，還需要采用合適的衰減片，減弱匙孔產(chǎn)生的強光輻射，避免過大的光強損壞相機感光元器件。

圖2 不同激光功率下的焊接輻射光譜Fig.2 The Radiation Spectrum of Welding Under Different Laser Power

根據(jù)激光焊接4mm 不銹鋼輻射光譜的分析結(jié)果，通過測試及比較不同中心波長的濾光片和不同透過率的衰減片條件下的匙孔圖像采集效果，最終采用由中心波長為808nm，中心波長透過率為90%，半帯寬為20nm 的帶通濾光片和透過率為60%的全波段衰減片構(gòu)成的復(fù)合濾光組件，獲得清晰的匙孔和穿透孔圖像。

4 匙孔圖像與焊縫截面形狀分析

對接焊的樣件尺寸為（140×50×4）mm，材料為奧氏體不銹鋼。焊接試驗前用砂布打磨試件，打磨后用無水乙醇清洗焊接區(qū)域，去除樣件的油污和表面氧化物。焊接過程中，采用氮氣作為保護(hù)氣體，氣流量固定為25L/min，焊接速度為20mm/s，離焦量為0mm，分別使用 1800W、2200W、2600W 和 3000W 的激光功率進(jìn)行對接焊實驗，經(jīng)過復(fù)合濾光組件采集到的同軸熔池區(qū)域圖像，如圖3 所示。

圖3 不同激光功率下的熔池區(qū)域圖像Fig.3 Image of Molten Pool Area Under Different Laser Power

由于濾光片濾除了大部分弧光，等離子體、金屬蒸汽和焊接激光的干擾信息，實驗拍攝到的熔池區(qū)域圖像中的亮度強弱可以直接反映熔池及匙孔溫度的分布情況。在焊接過程中，匙孔壁是激光與熔池作用的交界處，其溫度最高，匙孔圖像顯示為白色的圓形亮斑。而熔池表面的溫度在材料的熔點與沸點之間，與匙孔溫度相比低很多，輻射較弱，熔池前沿是光纖激光焊接奧氏體不銹鋼過程中產(chǎn)生飛濺的主要區(qū)域。當(dāng)有焊接熱輸入足夠使匙孔穿透工件時，焊縫背面瞬間就會形成穿透孔，在匙孔圖像的中央出現(xiàn)低灰度的黑斑。

為了研究匙孔圖像與焊縫熔透性的關(guān)系，采用線切割設(shè)備將焊接好的樣件在圖像對應(yīng)的位置沿焊縫橫截面切開，然后將切割完的樣品進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光和化學(xué)腐蝕等一系列金相樣件的制備過程，最后采用超景深三維顯微系統(tǒng)對金相樣件的焊縫截面進(jìn)行觀察，焊縫截面形貌，如圖4 所示。

圖4 不同激光功率下的焊縫截面形貌Fig.4 Weld Cross Section Morphology Under Different Laser Power

通過分析不同激光功率下的熔池區(qū)域圖像和對應(yīng)的焊縫截面形貌圖，可以得出：當(dāng)激光功率為1800W 時，工件為非熔透焊接，焊縫截面形狀為“Y”形，此時匙孔圖像顯示為完整的白色圓形光斑。激光功率為2200W 時，焊縫截面形狀為“I”形，雖然得到了全熔透的焊縫，但這種情況匙孔并沒有穿透工件，只是匙孔下方存在的液態(tài)熔池通過熱傳導(dǎo)的作用將工件熔透，所以匙孔圖像依然是顯示為完整的白色圓形光斑。當(dāng)激光功率為2600W 時，匙孔穿透工件，焊縫背面瞬間形成穿透孔，匙孔圖像中央出現(xiàn)低灰度的黑斑，焊縫截面形狀為“X”形。隨著熱輸入的增加，激光激光為3000W 時，焊縫截面的最小寬度和焊縫背面寬度增加，匙孔圖像中央的黑斑變大。根據(jù)這一變化規(guī)律，為激光焊接熔透狀態(tài)在線監(jiān)測的研究提供理論指導(dǎo)。

5 結(jié)論

（1）通過分析光譜儀水平采集到激光焊接時所產(chǎn)生的輻射光譜，設(shè)計了由中心波長為808nm 的帶通濾光片和60%透過率構(gòu)成的復(fù)合濾光組件，該組件大幅度減少焊接弧光、等離子體和金屬蒸汽輻射的同時可以較高效地通過包含匙孔圖像信息的熔池輻射。

（2）搭建同軸被動式視覺傳感系統(tǒng)，對光纖激光焊接4mm厚不銹鋼的匙孔圖像進(jìn)行了采集實驗，可以獲得清晰的匙孔及穿透孔圖像。

（3）分析了不同功率下的熔池圖像及對應(yīng)焊縫截面形狀，當(dāng)匙孔未穿透工件時，焊縫截面形狀為“Y”形或者“I”形，匙孔圖像顯示為完整的白色圓形光斑；一旦有足夠的熱輸入，使匙孔穿透工件，焊縫背面瞬間形成穿透孔，匙孔圖像中央出現(xiàn)低灰度的黑斑，焊縫截面形狀為“X”形。通過這一變化規(guī)律，為進(jìn)一步進(jìn)行激光焊接熔透狀態(tài)在線監(jiān)測的研究奠定了基礎(chǔ)。