为研究不同的激光焊接模式与激光等离子体电信号频谱分析结果之间的关系,利用无源电探针检测不同的304不锈钢管Nd:YAG激光焊接条件下的光致等离子体电信号,对比分析了不同条件下的等离子体电信号波形图、频谱图,阐述了不同激光焊接模式下的焊缝横截面成形特征与等离子体电信号波形、频谱特征的关系。结果表明:在本试验条件下,不同的激光焊接模式具有不同的等离子体电信号频谱特征;利用等离子体电信号频谱在500~1000Hz范围内的谱强度E的大小可判别激光焊接过程是否为深熔焊,当E较大或超过一定值时,激光焊接模式为深熔焊。

1引言

激光焊接以其热输入小,焊缝深宽比大,焊接热影响区小,焊缝变形小等优点受到越来越多的关注和应用。激光焊有深熔焊和热导焊两种模式,深熔焊又是更能反映上述激光焊优点的焊接模式。激光焊过程会产生光致等离子体,又称激光等离子体。有学者

指出,在激光焊过程中,等离子体以一定的频率范围周期性喷发,具有振荡特性,这种振荡特性在一定程▂度上反映了激光焊过程行为的特点。然而,激光焊的不同焊接模式所产生激光等离子体的方式是有区别的:深熔焊过程等离子体从小孔中喷出,热导焊过程等离子体从被焊材料表面产生,这两种模式产生等离子体的行为特征的区别值得关注。激光等离子体的产生与激光焊过程密切相关,对激光等离子体的检测和分析对于研究激光焊的过程是很有意义的。

对激光焊过程等离子体的检测,有光及光谱、电、声等多种信号可以选择,也可以采用多传感器系统对激光等离子体ξ 进行检测。其中,对声、光及光谱信号的研究较多,而对电信号的研究则较少。本文前期的研究中已利用无源电探针实时探测激光焊接过程中的等离子体电信号,指出了其与等离子体温度及动态行为的关系;还对激光等离子体的电信号进行了概率统计分析。这种无源电探针实时探测的方法也为研究激光等离子体的振荡特性提供了可能性,可以对与等离子体波动行为密切相关的等离子体电信号的频率特性进行检测与分析。本文将在已有研究的基础上,采用无源电探针采集不同条件下激光焊接过程的等离子体电信号,分析研究激光等离子体电信号的频谱特征及其意义。

2试验原理及方法

2.1试验方法及设备

1为激光焊试验及信号采集系统示意图。其中,电信号采集系统由无源电探针、调理电路、数据采集卡(DAQ)、计算机等构成。高速摄像用于采集激光焊接过程中的等离子羽图像,其触发信号由计算机发出。试验中所用JK2003SMNd:YAG激光器额定功率为2KW,激光波长为1.06μm,光斑直径为0.6mm。由于所采集的电信号幅值很小,本研究采用自主开发的调理放大电路对采集到的电信号进行滤波和放大,减小噪声信号的干扰。

试验材料为3mm厚的A304奥氏体不锈钢板,Ar气为保护气∴体。保护气喷嘴与焊接方向在同一平面,侧吹气流与304不锈钢管表面角度为45°。探针放置于304不锈钢管上方,面对保护气吹送方向,探针尖端在图1所示的Y-Z平面内,距离☉激光作用点(即坐标原点)的距离为2mm,激光作用点和探针尖端的连线与Y轴的夹角为45°。在激光焊接试验中,离焦量d-1mm,通过调节激光功率、焊接速度、保护气流量等参数来获得不同的焊缝成形,同时采集电信号,进行焊缝成形特征和电信号波形图、频谱图的分析。

2.2电信号检测原理

无源电探针检测电信号的理论基础是等离子体鞘层理论。当将一个冷的导体置于等离子体中时,由于电子质量m e远小于正离子质量m i,质量小的电子运动速度快,导体表面聚集负电荷最终形成了等离子体鞘层。根据前期研究,导体表面的负电位Ew可由下式来表示:

i e(K/4e)ln(m/m).WE T=-(1

式(1)中,E w为鞘层电压,kBoltzman常数,T为电子温度,e为电子电量。由电探针探测到鞘层电压,通过(1)式可求出探针所处位置的电子温度。可见,无源电探针所检测的电信号实际反映了等离子体电子温度的变化情况。根据等离子体动力学原理和广义欧姆定律,等离子体内部的温度梯度和压力梯度变化会造成上述电子流动的变化,而激光等离子体的产生与喷发过程的剧烈程度显然会影响到等离子体内部的温度与压力的状态变化,这也意味着电信号的波动与等离子体内部的这种振荡特性密切相关。

2.3电信号频谱分析原理

采集到的等离子体电信号特征比较复杂,具有振荡特性,因而可进行频谱分析。

3试验结果与分析

在激光焊接试验中,焊接参数变化范围如下:激光功率10001350W,焊接速度618mm/s,保护气流量1030L/min,共进行了12组激光焊试验。通过对所采集电信号的频谱分析,发现电信号特定谱段的谱强度与激光焊模式有明显的对应关系。为叙述简洁,本节首先对几种典型电信』号进行分析描述,然后再对整体试验结果进行分析研究。

3.1典型电信号分析

1.原始信号描述

2为三种典型的激光焊焊缝及其对应的电信☆号波形。从图2可以看出,图2b所示的电信号波形图与图2a2c明显不同,图2b的电信号波动较小,甚至出现0V值,而图2a2c所示的电信号的波动更剧烈。

2a电信号对应典型深熔焊︾焊接过程,由于小孔的存在,等离子体产生强烈,并且因剧烈喷发而产生较大波动,电信号可以反映出等离子体的这种振荡特征;而图2b电信号对应典型热导焊焊接过程,没有小孔形成,等离子体产生较弱。图2c电信号对应的焊缝为“钉形”焊缝,该304不锈钢管焊接过程中的电信号与典型的深熔焊过程的电信号相似,也有较强的振荡。综上所述,不同激光焊接模式的焊缝成形对应着不同的等离子体电信号波形特征,若要深入理解二者之间的关系,应对电信号进行更深入的分析。

2FFT频谱分析

3是图2电信号通〇过FFT变换得到的频谱图,其中图3a3b3c分别对应图2a2b2c。从图3可以看出,典型的深熔焊所对应的电信号频谱图(图3a)与典型的热导焊焊缝对应的电信号频谱(图3b)明显不同,后者等离子体电信号频率主要集中在500Hz以下的低频谱段,而前者等离子体电信号波动的频率范围较大,二者均没有无明显的特征频率。“钉形”焊缝所对应的激光焊接过程中的电信号频谱(图3c)与典型深熔焊模式下的电信号频谱接近,其特征频率也不明显。

从上述分析可以看出,虽然深熔焊过程从小孔喷发等离子体具备周期性喷发的振荡特性,然而并未在电信号的频谱分布上显示较为固定的特征频率,而是显示在一定频率范围内相对于热导焊振荡增强的特点,振荡增强的频谱在大约300Hz3000Hz的较宽范围。由此推测,小孔等离子体的喷发虽是周期性的,但周期并非一个相对固定的值,而是在一定范围内变化。

根据上面的分析,可对上∴述电信号在较大谱段内进行频谱分析,将FFT频谱按500Hz为一个谱段进行分段的谱强度分析。通过对不同条件下所做试验和不同谱段的电信号频谱进行分析,发现不同焊缝成形对应的焊接过程中的电信号频谱强度在5002000Hz的三个谱段频段有较大差别,其中在5001000Hz谱段差别最大。利用式(4)对上述三种电信号5001000Hz谱段内的电信号频谱进行积卐分,得到的谱强度E分别为22.413.3613.34。可以看出,深熔焊焊缝对应的谱强度E最大,另外两种情况对应的E值明显偏小。3.2试验电信号谱强度分析上述分析是对典型激光焊接过程,为获得一般性结论,按表1所示参数进行多组激光焊接试验,进行电信号频谱强度分析和相应的焊缝形貌分析,相关分析结果也在表1注明。图4为表112组试验过程中采集的电信号在5001000Hz谱段内的谱强度。图5为各组试验所得焊缝横截面示意图。

通过对比焊缝横截面成形情况与5001000Hz范围内的电信号谱强度E值,可以发现深熔焊对应的E值都明显较大,都在19以上;在此之下,非深熔焊过程的E值明显偏低,不超过14;从图4b可以更清楚地看出E值与激光能量输入P/v无关,主要取决于焊接模式。这意味着可利用等离子体电信号在特定谱段内的谱强度大小来判别焊接模式,当E大于某个临界值或处于某个较高区间时,对应的焊接模式为深熔焊;E小于这个值或处于较小区间时,就不是深熔焊。较大的E值,也表明等离子体电信号振荡强度较大,意味着对应的激光焊接过〒程中等离子体的振荡越剧烈。这为激光焊接过程的监控提供了一种新的思路。

11112组试验在与第35组试验能量输入相同的条件下都出现了异于第35组的钉形焊缝(四组试验都在图4b能量输入较大的位置),与常见的深熔焊和热导焊焊缝不同,究其原因是因为在本研究试验条件下保护气流量不足造成了等离子羽形态发生变〗化,如图6高速摄像所示。

当保护气流量较大时,有效抑制了等离子羽体积的扩张,有利于激光能量到达304不锈钢管,形成深熔焊焊缝。在深熔焊条件下小孔效应显著,等离子体剧烈喷发,引起孔外等离子体剧烈振荡,对应的等离子体电信号在特定频率范围内的谱强度较大。当保护气流量较小时,等离子羽明显分为上下两层,下层仍保持了与保护气流量较大时的类似的形态,上层则扩张较大;根据实际试验过程的观察,推测上层可能由于卷入了空气而存在金属蒸汽氧化现象,这会影响激光的通过。有学者←已指出等离子体形态变化对激光的折射、散射和吸收作用,激光在通过非均质物质时的折射作用会影响焦点位置,例如使得激光束焦点上移而易于产生钉形焊缝。总的来说,保护气流量较小时,体积较大的等离子体会使得到达304不锈钢管的激光能量减小〇,达不到深熔焊所需的条件,在这种情况下小孔效应减弱甚至消失,等离子体喷发的剧烈程度降低,孔外等离子体振荡减弱,对应的等离子体电信号在特定频率范围内的谱强度较小。因此,尽管钉形焊缝形成过程的等离子体电信号波ξ 形与深熔焊过程类似,然而对两者频谱特征的分析仍可发现明显差异,说明深熔焊过程的电信号频谱特征有其特有的属性。

4结论

本文采用304不锈钢管材料和Nd:YAG激光器进行激光焊试验,采集激光等离子体电信号进行频谱分析,得到如下▲结论。

(1)等离子体电信号可以反映不同激光焊接模式的特征。通过对等离子体电信号在特定谱段内的谱强度进行分析,可以判别激光焊接模式,这为激光♀焊接过程监控提供了一种新的思路。

(2)在本试验条件下,通过对不同条件下激光焊接等离子体电信号频谱在500~1000Hz范围内的谱强度E的分析,可以发现:深熔焊条件下E值较大,非深熔焊条件下E值相对较小,两者差异明显♀。