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采用光纖激光同軸保護焊接奧氏體不銹鋼，利用激光焊接監(jiān)測系統(tǒng)同步采集焊接過程中的光信號數(shù)據(jù)，并結(jié)合羽輝的形貌研究不同焊接條件對焊縫成形及光信號強度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，光信號強度隨著激光功率的增加逐漸增大。當(dāng)離焦量從－６ｍｍ變化到６ｍｍ時，光信號強度先減小后增大。光信號變化可反映焊縫熔深的變化，可用于檢測搭接間隙和焊縫位置變化引起的焊縫缺陷。通過Ｐ信號數(shù)據(jù)可判斷焊接質(zhì)量異常區(qū)的準(zhǔn)確位置，焊接過程中光信號的強度同羽輝體積正相關(guān)。

奧氏體不銹鋼具有韌性高、可塑性強、耐腐蝕性好、價格低廉等優(yōu)點，在多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，奧氏體不銹鋼是一種導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大的材料，采用傳統(tǒng)的焊接方法容易引起變形。光纖激光同軸焊接技術(shù)具有能量密度高、焊接熱輸入小、能量控制精確、運行成本低、加工柔性高等優(yōu)點，有望實現(xiàn)航天發(fā)動機主動冷卻結(jié)構(gòu)、軌道交通工具等關(guān)鍵構(gòu)件的精密焊接制造。

激光焊接是一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的物理冶金過程，該過程中產(chǎn)生的光信號變化與焊接質(zhì)量密切相關(guān)。在光纖激光焊接過程中，主要的光輻射包括紫外及可見光輻射和紅外熱輻射。利用光電傳感器同軸檢測焊接過程中金屬蒸氣、熔池等產(chǎn)生的光信號變化，可實現(xiàn)激光焊接過程的同步檢測。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在光纖焊接過程中利用同軸光電傳感器檢測光信號強度，指出利用光信號強度變化可判斷焊接熔透狀態(tài)以及塌陷、弧坑、焊縫氧化、飛濺等缺陷；焊接質(zhì)量和焊縫熔深與光信號存在對應(yīng)關(guān)系，且焊接質(zhì)量異常位置對應(yīng)的羽輝行為發(fā)生變化。Ｃｏｌｏｍｂｏ等通過檢測等離子體信號、激光反射信號和溫度信號來區(qū)分不同的搭接間隙，并判斷焊接質(zhì)量。復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其冷卻通道呈現(xiàn)密集、三維、多變的特點，對加工精度要求很高，而采用光纖激光同軸保護焊接過程同步檢測及評估的研究鮮有報道。本文利用激光焊接監(jiān)測（ＬＷＭ）系統(tǒng)，對不同焊接條件下焊接過程產(chǎn)生的紅外光信號（Ｔ）、紫外及可見光信號（Ｐ）實施檢測。通過光信號和焊縫宏觀形貌的比對分析，獲得了各光信號變化規(guī)律，及焊接質(zhì)量與影響因素的映射關(guān)系。采用高速攝像機拍攝羽輝體積，對光信號變化的機理進行了分析。通過對光信號數(shù)據(jù)進行設(shè)定時間步長內(nèi)的均值計算分析，可判斷出焊接狀態(tài)異常區(qū)域的準(zhǔn)確位置。

２同軸光信號檢測系統(tǒng)和試驗方法

同軸光信號檢測系統(tǒng)試驗裝置如圖１所示，激光器采用美國ＩＰＧ公司的ＹＬＳ－６０００光纖激光器，最大輸出功率為６ｋＷ，波長為１．０７μｍ，光纖芯徑為２００μｍ，準(zhǔn)直鏡焦距為１５０ｍｍ，聚焦鏡焦距為２００ｍｍ，光斑直徑為０．２６ｍｍ。采用ＬＷＭ作為光信號采集系統(tǒng)，采樣頻率設(shè)置為１ｋＨｚ。內(nèi)徑為６ｍｍ的同軸噴嘴安裝在德國Ｐｒｅｃｉｔｅｃ公司的ＷｅｌｄｉｎｇｈｅａｄＹＷ５０焊接頭末端，噴嘴末端距離不銹鋼管表面為４ｍｍ。利用ＹＷ５０焊接頭自身配置的傳感器，可以檢測波長為１１００～１８００ｎｍ的Ｔ光信號和０～６００ｎｍ的Ｐ光信號。采用彩色高速攝像機觀測焊接過程羽輝行為，拍攝頻率為２０００ｆｒａｍｅ／ｓ。焊接過程中的光信號經(jīng)透鏡進入分光鏡后，分別傳輸?shù)剑泻停怨怆妭鞲衅髦�，�?jīng)過處理單元變換后的信號輸入到計算機，生成光信號測試數(shù)據(jù)。焊接板材為３０４奧氏體不銹鋼平板。激光功率為１．６ｋＷ，保護氣體氬氣的流量為１５Ｌ／ｍｉｎ，焊接速度為３ｍ／ｍｉｎ（以下簡稱工藝參數(shù)１）。采用平板掃描焊的方式研究工藝參數(shù)對光信號的影響規(guī)律，試樣尺寸為１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ；采用搭接焊試驗研究搭接間隙和焊縫位置對光信號的影響規(guī)律，上板尺寸為１００ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ，下板尺寸為１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ。

為了解釋同軸保護焊接時，不同離焦量和間隙條件下光信號變化與羽輝形貌的關(guān)系，同時采用旁軸保護焊接進行驗證試驗。由于同軸焊接噴嘴末端距離不銹鋼管表面僅為４ｍｍ，遠(yuǎn)小于羽輝高度，為觀測完整羽輝形貌，選用旁軸噴嘴進行驗證試驗，并通過對比不同保護焊接中光信號強度隨離焦量的變化關(guān)系來驗證該試驗的可行性，試驗參數(shù)均采用工藝參數(shù)１。設(shè)置局部間隙如圖２所示，其中ｄ為搭接間隙。

試件表面在焊前用丙酮清理，焊后試樣經(jīng)拋光腐蝕后放在體式顯微鏡下觀察焊縫微觀形貌。運用ＡｄｏｂｅＰｈｏｔｏｓｈｏｐ軟件計算羽輝面積，運用Ｍａｔｌａｂ軟件對信號進行除噪處理及均值計算。

３試驗結(jié)果和分析

３．１工藝參數(shù)對光信號及焊縫成形的影響規(guī)律

同軸保護焊接的熔深及光信號隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律如圖３所示。從圖３（ａ）中可以看出，焊縫熔深、Ｐ信號和Ｔ信號強度的歸一化數(shù)值均隨激光功率的增加而增大。由圖３（ｂ）可知，當(dāng)離焦量從－６ｍｍ變化至６ｍｍ時，焊縫熔深先增大后減��；Ｐ信號和Ｔ信號強度的歸一化數(shù)值先減小后增大。

Ｐ信號的變化主要源自金屬蒸氣輻射，而Ｔ信號的改變主要源自金屬蒸氣和熔池的熱輻射。激光功率的增加會提高不銹鋼管表面的激光功率密度，導(dǎo)致小孔內(nèi)金屬蒸發(fā)量和金屬蒸氣壓力增大，進而增大焊接熔深。蒸發(fā)量和蒸氣壓力增大導(dǎo)致噴出小孔的金屬蒸氣增多，從而使熔池和小孔上方金屬羽輝體積增大。在較小的激光功率范圍內(nèi)，羽輝的溫度幾乎不變。羽輝體積的增加使得羽輝輻射的光信號強度增大，因此，焊縫熔深、Ｐ信號和Ｔ信號歸一化強度均隨激光功率的增加而增大。

圖３（ｂ）中光信號強度歸一化數(shù)值隨離焦量的變化呈“Ｖ”字形變化。在旁軸保護焊接中，利用ＬＷＭ采集光信號，采用高速攝像機對羽輝形態(tài)進行觀測，結(jié)果如圖４所示。離焦量ｆ從－６ｍｍ變化到６ｍｍ時，羽輝面積（因為羽輝體積與面積正相關(guān)，本文通過計算羽輝面積間接表示羽輝體積）和光信號強度歸一化數(shù)值先減小后增大，在離焦量為０ｍｍ時達(dá)到極小值。結(jié)合圖３（ｂ）和圖４可知，同軸保護焊接和旁軸保護焊接中Ｐ信號和Ｔ信號強度隨離焦量的變化規(guī)律幾乎是一致的。這表明同軸保護和旁軸保護中，羽輝隨離焦量的變化規(guī)律也是一致的。在負(fù)離焦量條件下，激光束聚焦于不銹鋼管內(nèi)部，使不銹鋼管內(nèi)部的激光功率密度高于不銹鋼管表面的，產(chǎn)生更強的氣化作用，從而導(dǎo)致孔內(nèi)的蒸汽壓力和熔深增大；當(dāng)負(fù)離焦量過大時，熔深逐漸減小。在正離焦量條件下，到達(dá)不銹鋼管表面的激光光斑變大、激光功率密度減小，從而導(dǎo)致孔內(nèi)的蒸汽壓力和熔深減小。然而，激光光斑變大又使小孔開口處的直徑增加，致使孔內(nèi)的金屬蒸氣受到的孔壁阻力減小，導(dǎo)致孔內(nèi)噴出的金屬蒸氣增多，即羽輝體積增大。在較小的離焦量范圍內(nèi)，羽輝的溫度幾乎不變。因此，隨著羽輝體積的增加，羽輝輻射出的光信號更強，導(dǎo)致Ｐ信號和Ｔ信號強度隨著離焦量的增大而增大。

３．２搭接間隙對光信號和焊縫成形的影響規(guī)律

復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件主要為搭接焊縫，搭接間隙過大會影響焊接質(zhì)量。搭接間隙對光信號的影響規(guī)律如圖５所示，對焊縫成形的影響如圖６所示。為消除噪聲對光信號的影響，采用Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ算法處理光信號數(shù)據(jù)。

由圖５可知，異常焊縫的光信號強度均值都低于正常值；未熔合區(qū)的非塌陷焊縫對應(yīng)的光信號強度均值明顯高于弧坑及塌陷焊縫位置的。當(dāng)搭接間隙ｄ≤０．１ｍｍ時，Ｐ信號和Ｔ信號無明顯波動，焊縫成形良好，將此條件下光信號強度均值作為正常值，如圖６（ａ）、（ｂ）所示。當(dāng)ｄ＝０．２ｍｍ時，焊縫表面局部出現(xiàn)塌陷，塌陷區(qū)內(nèi)的焊縫宏觀形貌由釘頭形變?yōu)榛ㄆ啃危�如圖６（ｃ）所示，此時Ｐ信號和Ｔ信號強度均值分別為正常值的３２％和３４％。當(dāng)ｄ＝０．３ｍｍ時，焊縫表面完全塌陷，焊縫宏觀形貌和光信號的變化與ｄ＝０．２ｍｍ時的基本一致，如圖６（ｄ）所示。當(dāng)ｄ＝０．４ｍｍ時，焊縫表面弧坑及塌陷焊縫與非塌陷焊縫相互交錯，三種典型的焊縫橫截面如圖６（ｅ）所示。

利用高速攝像機觀察羽輝形貌，并分析焊縫塌陷時光信號強度均值減小的原因。間隙條件下旁軸保護焊接光信號強度均值、羽輝形貌和焊縫表面形貌如圖７所示。由圖７可知，Ⅰ段和Ⅲ段內(nèi)焊縫表面成形良好，光信號強度穩(wěn)定，羽輝形貌基本一致；Ⅱ段內(nèi)焊縫表面塌陷，羽輝面積和光信號強度均明顯減小。在激光焊接過程中，小孔周圍被低強度的熔融金屬包圍，間隙的存在致使孔內(nèi)的高壓金屬蒸汽容易從間隙處外漏，導(dǎo)致小孔內(nèi)部蒸汽壓力減小，小孔內(nèi)部噴出的金屬蒸氣減少，即羽輝體積減小。因此，焊縫塌陷處的Ｔ信號和Ｐ信號強度明顯減小。

３．３焊縫位置對光信號及焊縫成形的影響規(guī)律

在復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件激光焊接過程中，焊接變形及軌跡誤差會導(dǎo)致焊縫位置偏離筋中心，影響焊接質(zhì)量。

不同焊接位置對光信號強度及焊縫質(zhì)量的影響如圖８、圖９所示，其中Ｌ為焊縫與筋（筋寬為２ｍｍ）中心的距離。從圖８可以看出，當(dāng)Ｌ≤０．６ｍｍ時，Ｐ信號和Ｔ信號強度相近；當(dāng)Ｌ＝０．８ｍｍ和Ｌ＝１ｍｍ時，Ｐ信號和Ｔ信號強度逐步降低。由圖９可知，當(dāng)Ｌ≤０．６ｍｍ時焊縫成形良好，兩種光信號的強度無明顯變化；當(dāng)Ｌ＝０．８ｍｍ時，焊縫表面雖無明顯變化，但是焊縫橫截面出現(xiàn)異常，在搭接面下部，焊縫向流道一側(cè)凸起；當(dāng)Ｌ＝１ｍｍ時，焊縫表面塌陷，未形成完整搭接焊縫，Ｐ信號和Ｔ信號強度降低到正常值的３２％和３６％。

４結(jié)論

在光纖激光同軸焊接過程中，利用ＬＷＭ采集焊接過程中的光信號，并分析光信號強度變化與焊接缺陷及羽輝形貌的對應(yīng)關(guān)系，得到以下結(jié)論：

１）光信號強度歸一化數(shù)值同焊接功率正相關(guān)，其變化能反映出焊縫熔深的改變，利用該變化可檢測焊接位置和搭接間隙引起的焊接缺陷。

２）離焦量和搭接間隙對羽輝體積存在顯著的影響，且Ｐ信號和Ｔ信號強度均值同羽輝體積正相關(guān)。

３）通過對Ｐ信號強度均值的計算，能夠準(zhǔn)確判斷出焊縫塌陷的具體位置，可作為光纖激光焊接質(zhì)量的評估方法。