[激光原理与应用-54]：《激光焊接质量实时监测系统研究》-5-试验结果及分析

Posted 2022-12-16 文火冰糖的硅基工坊

目录

 

5.1 实验条件

5.2 焊接正常信号分析

5.2.1 正常焊接过程

5.2.2 时域 - 原始波形

5.2.3 时域 - 统计分析后的波形

5.3 缺陷信号分析

5.3.1 缺陷焊接过程

5.3.2 时域 - 原始信号

5.3.3 时域 - 统计处理信号

5.3.4 频域分析

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5.1 实验条件

为了验证系统性能以及提出改进意见，在轴流式 CO 2 激光器上，对板厚 1.5mm的镀锌钢板进行激光焊接试验：

• 激光输出功率为 1500W ，
• 聚焦透镜的焦距为 120mm ，
• 光斑直径Φ 0.4mm 左右，
• 焊接速度 3m/min = 30cm/60s = 0.5cm/s = 5mm/s
• 可见光测量系统滤光片选为 400-440nm波段，
• 红外光测量系统滤光片选用 1064nm 窄带滤光片，半宽为 10nm ，
• 采集声音信号时将信号调理放大电路的滤波范围设为 0-20kHz ，即采集可听声部分。

5.2 焊接正常信号分析

5.2.1 正常焊接过程

在焊接过程正常时，产生的焊缝将是均匀的，见图 5.1 。

5.2.2 时域 - 原始波形

测得的光声信号时域波形如图 5.2 －图 5.4 所示：

 

5.2.3 时域 - 统计分析后的波形

对上面的三路信号进行统计分析（均值和方差）后的到波型图如图 5.5 －图 5.7
所示，图中

• 实线表示均值
• 虚线表示方差

可见，当焊接过程没有缺陷，焊接处于稳定深熔焊状态时两路光传感器输出信号较平稳，表现为围绕某一幅值上下波动，可见光信号波动频率要高于红外光信号。

由于可见光反映的是等离子体波动，而红外光信号反映的是熔池温度变化，很显然离子体的波动要比熔池的温度变化要快，因此，可见光信号要比红外光信号变化剧烈，这一点与理论很好的吻合，

稳定焊接中声音信号也维持在相对平稳的状态。

5.3 缺陷信号分析

5.3.1 缺陷焊接过程

为了观察出现缺陷时系统的测试效果，在对镀锌钢板进行激光焊接时在焊接方向上放置两根细钢丝如图 5.8 所示。

5.3.2 时域 - 原始信号

 

5.3.3 时域 - 统计处理信号

对上面的三路信号进行统计分析（均值和方差）后的到如图 5.13 －图 5.15 所
示波型图（图中实线表示均值，虚线表示方差）。

由上图可见当未出现缺陷时，焊接过程处于稳定的深熔焊，光、声信号较平稳。

而当焊接进行到放置钢丝的部位时，信号发生了明显的变化，表现为光、声信号幅值都大幅减小，之后又恢复正常幅值。

这主要是由于激光照射在钢丝上时，由于离焦量发生变化，出现未焊透：

• 此时无等离子体产生，所以可见光强度降为接近零；
• 而熔池温度也大幅降低，导致红外信号幅值下降；
• 声音信号除与等离子体从小孔中喷发有关外，还与熔池有关，故它的信号虽明显减小当还保持在一定的强度。

而且同一焊接缺陷产生时采集到的三路信号变化情况具有很大的相关性，

因此相比单路采集能获得更多信息，降低了缺陷判断中的不确定度。

5.3.4 频域分析

下面对上述缺陷信号进行 FFT 变换，观察其频谱分布情况如图 5.16 －图 5.18所示。

图中横坐标值的大小与信号频率成正比，

纵坐标的大小与特定频率的信号强度成正比。

由图可见激光焊接过程中等离子体光信号、熔池辐射的红外信号和声音信号都集中在低频段，可以对该频段进行分析从而寻找焊接缺陷产生时的频率变化情况。

对大于 20kHz 的声音（即超声波）信号进行采集分析后发觉其也能反映缺陷情况，由于超声部分不会受到周围环境噪声的影响，因此在声音采集时选取超声信号来进行缺陷分析也是一种可行的方式。国内目前对于这一领域的研究较少，本课题将会结合可听声和超声进行试验，寻找最能反映焊接缺陷的声音频段。