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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。研究結果表明，光信號強度隨著激光功率的增加逐漸增大。當離焦量從－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)的準確位置，焊接過程中光信號的強度同羽輝體積正相關。

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，在多個領域得到廣泛的應用。然而，奧氏體不銹鋼是一種導熱系數(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)動機主動冷卻結構、軌道交通工具等關鍵構件的精密焊接制造。

激光焊接是一個遠離平衡態(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。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關系，且焊接質(zhì)量異常位置對應的羽輝行為發(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。復雜內(nèi)流道構件結構復雜，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，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時達到極小值。結合圖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，從而導致孔內(nèi)的蒸汽壓力和熔深增大；當負離焦量過大時，熔深逐漸減小。在正離焦量條件下，到達不銹鋼管表面的激光光斑變大、激光功率密度減小，從而導致孔內(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

復雜內(nèi)流道構件主要為搭接焊縫，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)的非塌陷焊縫對應的光信號強度均值明顯高于弧坑及塌陷焊縫位置的。當搭接間隙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�，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

在復雜內(nèi)流道構件激光焊接過程中，焊接變形及軌跡誤差會導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Ｌ≤０．６ｍｍ時，Ｐ信號和Ｔ信號強度相近；當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Ｌ≤０．６ｍｍ時焊縫成形良好，兩種光信號的強度無明顯變化；當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，焊縫向流道一側凸起；當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關系，得到以下結論：

１）光信號強度歸一化數(shù)值同焊接功率正相關，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。

３）通過對Ｐ信號強度均值的計算，能夠準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。