基于激光光電法的脈沖GTAW焊熔池振蕩頻率實時檢測研究.pdf

1、熔池振蕩頻率與熔池尺寸具有直接物理對應(yīng)關(guān)系，但熔池振蕩頻率的實時檢測十分困難。尤其在連續(xù)焊時，利用目前已有的檢測方法如弧壓、弧光法很難可靠并準(zhǔn)確的提取出熔池振蕩頻率。針對該問題，文中提出了一種連續(xù)脈沖GTAW焊熔池振蕩頻率實時檢測新方法—激光光電法，并對其理論基礎(chǔ)及可行性進行了深入的研究與分析。該方法的原理是以一定幾何參數(shù)將激光條紋投射到GTAW熔池表面，由于熔池表面具有類鏡面反射特性，激光條紋經(jīng)熔池表面發(fā)生反射，且反射激光條紋對熔池振

2、蕩幅度有很好的光學(xué)放大作用。反射激光條紋經(jīng)濾光片后進入包含有光電轉(zhuǎn)換傳感器的暗室，利用光電轉(zhuǎn)換傳感器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號。由于熔池周期性振蕩必將引起反射激光條紋亮度的積分值周期性變化，而反射激光條紋亮度積分值的周期性變化勢必同步引起電信號的變化。因此，可采用由反射激光條紋引起的周期性變化電信號來表征熔池振蕩情況，通過對采集的電信號進行實時處理即可得到熔池振蕩頻率。該方法成功解決了連續(xù)焊接過程中熔池振蕩頻率實時檢測的難題，為連續(xù)脈沖GTA

3、W焊熔透實時傳感提供了一種新方法。本文主要基于下述幾個方面對激光光電法進行了研究與分析。
　　(1)根據(jù)激光光電法測量原理，建立了基于激光光電轉(zhuǎn)換的實時檢測熔池振蕩頻率的傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)采用了光電轉(zhuǎn)換的方法，使熔池振蕩頻率傳感系統(tǒng)的實時性得到了大幅度提高。另外，該傳感系統(tǒng)還具有成本低、易于實現(xiàn)等特點。
　　(2)通過脈沖GTAW定點及連續(xù)焊條件下熔池振蕩頻率實時檢測工藝試驗，分別研究了激光光電法可靠性及可行性。試驗結(jié)果表

4、明：定點焊時不論是在熔透還是在未熔透情況下，激光光電法都能夠穩(wěn)定并可靠的檢測出熔池振蕩頻率，且隨著焊接時間增加，熔池振蕩頻率呈現(xiàn)減小的趨勢；連續(xù)焊時利用激光光電法也能夠穩(wěn)定并可靠的檢測出熔池振蕩頻率，且焊接速度的變化對激光光電法獲得熔池振蕩信號質(zhì)量影響較小；激光光電法能夠提取出不同板厚下熔池振蕩頻率，不受焊接材料厚度影響；在相同焊接規(guī)范下無論是定點焊還是連續(xù)焊條件下激光光電法與激光視覺法獲得熔池振蕩頻率范圍基本一致；利用激光光電法獲得的

5、基值階段周期性變化的電信號主要是由反射激光條紋亮度的變化而引起的，而不是由弧光引起的。
　　(3)文中定性分析了激光光路參數(shù)對傳感熔池振蕩信號質(zhì)量的影響，并獲得了理論上的最佳激光光路參數(shù)。通過對比分析暗室處于不同位置時獲取的熔池振蕩信號質(zhì)量的差別，發(fā)現(xiàn)暗室的放置位置對能否獲得高質(zhì)量的熔池振蕩信號具有決定性的作用。文中對熔池、激光器與暗室的位置進行了仿真分析，建立了暗室、熔池與激光器位置關(guān)系模型，利用該模型能夠計算出暗室合理的放置位

6、置。同時，文中也分析了脈沖頻率、電弧長度及焊接速度等電弧參數(shù)對熔池振蕩信號質(zhì)量的影響，為進行熔池振蕩頻率實時檢測試驗提供了最佳參數(shù)范圍。
　　(4)通過分析熔池振蕩特征頻率與焊縫幾何尺寸之間的關(guān)系以及熔池振蕩頻率隨焊接參數(shù)變化特點，發(fā)現(xiàn)利用激光光電法獲取的熔池振蕩頻率能夠?qū)崟r傳感焊縫熔透及熔深的變化；熔池未熔透時的振蕩頻率顯著高于熔池全熔透時的振蕩頻率；熔池由未熔透向全熔透逐漸變化時，熔池振蕩頻率不是漸變的，而是突然由較高頻率變化