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三天前

轉載自江蘇激光聯盟導讀:激光焊接作為一種高效的現代加工技術,已經廣泛應用于現代制造業。本文綜述了激光焊接過程中的實時在線監測技術。首先詳細介紹了激光焊接探測過程中的6個典型的探測技術:光電、視覺、光譜、聲學、高溫計和等離子電荷傳感。然后對激光焊接監測以及自適應控制中的多探頭融合技術進行了綜述。最后,關于激光監測和控制過程中的未來發展也做了展望。文章認為:激光焊接過程中的實時在線監測技術可以提供大量的關于激光焊接狀態的有用信息,并且可以用來幫助我們有效的識別缺陷和實現自適應控制。本篇為第一部分。?引言激光焊接由于產能高、可自動化焊接、形成的熱影響區小的高質量焊縫而在各種工業中得到應用,如汽車、造船、航空航天、造船和造橋等。其高能量密度可以達到100-1000KW每平方毫米,使得激光束和焊接材料之間的結合非常牢固,尤其是在利用匙孔效應焊接厚板時更為明顯。于是,高功率激光焊接過程中的在線監測和質量控制就對獲得高質量的產品就顯得至關重要了。早在20多年前就有大量的研究者開展了激光焊接過程中的探測問題,然而,實驗室的研究結果在當時并沒能得到企業的大量應用,其原因是當時的探測設備太過昂貴,而且器件的精度也不夠、探測效率也非常低。另外,當時的企業使用激光焊接的也不多是另外一個限制了激光焊接監測發展的原因。隨著激光器價格的不斷下降以及激光焊接成本的越來越低,激光焊接技術開始在焊接領域得到更為廣泛的應用。在批量生產制造過程中,焊接過程中的有效的在線監測可以幫助我們降低制造成本和提高產品質量。??圖1激光焊接時的匙孔效應示意圖?激光焊接主要是激光束和焊接材料之間的相互作用過程。在焊接過程中,激光束通過光纖和相應地光學鏡片進行傳輸。相應地,激光焊接過程中的在線監測也主要集中在焊接區的光輻射的能量信息,并且大部分用于研究的探測器是光學探測器。激光焊接過程中實時探測技術的發展在過去十年由于探測技術和人工智能技術的迅猛發展而取得了巨大的發展。本文則對激光焊接過程中的在線監測進行了綜述。從詳細介紹激光焊接的物理背景和當前不同探測技術的基本原理著手。然后對先進的多傳感探測技術和人工智能識別技術也進行了展望。通過介紹激光焊接探測過程中的先進探測技術的有效應用和激光焊接過程中的人工智能技術的應用嘗試,本文致力于展示當前的激光焊接監測技術和自適應過程中的當前狀態以及未來可能的發展方向。?激光焊接監測過程中的基本原理?激光焊接原理激光焊接時,材料被快速加熱到一定溫度,然后熔融金屬開始氣化,從而在熔池中心形成匙孔。因為此時有蒸氣壓的存在會促使在連續激光焊接時匙孔會保持在開的狀態,如圖1所示。在激光焊接的匙孔效應下,包含金屬蒸汽和等離子體的羽狀物會在此時生成并從匙孔飛濺出來。需要指出的是,在采用不同類型的激光進行焊接時,等離子體的特征也是不同的。CO2激光焊接時,羽狀物只在采用He氣為?;て迨輩嘔岱⑸?。如果?;て邐狽2或者Ar,采用CO2激光焊接,氣體等離子體僅在羽狀物噴嘴處形成。相反,采用光纖激光焊接時,羽狀物僅在較弱的離子狀態等離子體的條件下產生。幾乎所有的光譜分析用的峰值均來源于中性金屬原子的發射,而這些金屬原子的發射在Ar氣體作?;て氖焙蚴遣換岜惶講獾降?。與此同時,由于匙孔效應中高的蒸氣壓而造成大量的飛濺形成。一般來說,焊接位置的電磁輻射可以分為三大類。第一類是羽狀物發射出來的可見光和紫外光。第二類是激光發射后被發射的光。第三類是來自熔池表面的熱輻射?;舊?,激光焊接過程中的在線監測主要集中在表征熔池、匙孔、羽狀物、飛濺物以及激光焊接區的輻射信號。激光焊接過程中常見的缺陷有裂紋、氣孔、未完全熔透、未焊滿、咬邊和飛濺等。?典型的激光焊接監測系統的結構不同于傳統的焊接,激光焊接過程中的能量穿透主要靠激光束來實現的,此時的激光通過光纖和光學鏡片進行傳輸,然后照射到材料表面?;謖庵侄撈氐哪芰看浞絞?,通過調整激光頭內部光路的結構可以實現不同的檢測。此時我們將重點放在激光焊接監測過程中的四種探測技術上,并對每種探測類型進行了簡單的介紹。??同軸光輻射監測系統光束分光器安裝在激光頭上以幫助將焊接區中的輻射信號傳輸給探測器。一些焊接狀態可以通過分析不同光譜帶的信號強弱而識別出來。不同光譜帶的獨立分析是通過不同的濾光片來實現的。光通過濾光片時會被光電探測器探測到,然后通過信號放大器,最后通過示波器進行收集。除了分析特征光譜帶之外,在焊接過程中的全光譜波段的分析是通過光譜儀來實現的。激光頭和光譜分析儀均通過光纖進行連接。焊接區激光光強度的信號通過分光器來反映。光通過光纖,最后通過光譜儀來識別。如圖2為一個帶光電二極管的同軸探測系統(上圖)及其光電二極管的工作原理(下圖)。?圖2帶光電二極管的同軸探測系統(上圖)及其光電二極管的工作原理(下圖)文獻1??同軸視覺探測系統?同軸探測系統是安裝在激光頭上的光束分光儀來實現的。一般來說,有三種技術用于探測系統:即可見光視覺探測、紅外可見視覺探測和輔助光源視覺探測。對于可見光視覺探測,適應的濾光鏡波長范圍為:350-750nm。紅外可見視覺探測主要通過熱紅外相機來實現。在輔助光源視覺探測過程中,主要采用高頻閃的激光源來照射工作區,其波長一般在800-900nm。輔助光源通過分光器投射到焊接區,其端部同相機相連。光學濾光器同輔助光源相兼容并且安裝在分光器和相機之間,以使焊接區的圖像更加清晰可見。如圖3所示為同軸視覺探測系統(上)的一個案例及其實際探測的分析結果。圖3同軸視覺探測系統(上)的一個案例及其實際探測的分析結果文獻2??傍軸聲學和溫度探測系統聲學信號在一定程度上也被認為是焊接狀態的一個重要的信號。由于同軸探測主要用來探測光信號,從而使得聲信號的探測只能通過傍軸來實現。傍軸聲信號探測器有兩種,包括接觸型和非接觸型。接觸型聲探測主要探測發出的聲音響動,從而用于檢測高溫時的應力波和和設備或工件中的高壓(指壓力)??商講獾牟ǔの懷?00KHz。非接觸聲音探測主要指探測空氣中傳播的人耳可以聽見的聲音。這主要監控當等離子體和金屬蒸汽發生時的壓力波變化??梢蘊講獾牟ǔし段碩商姆段?,大約為20Hz-20KHz。另外一種用傍軸探測的是高溫計。需要注意的是非接觸型的溫度探測儀通常安裝在激光頭的后面以使得熔池的熱分布比較方便。圖4為激光焊接過程中檢測聲信號的一個案例。???等離子體電荷探測系統在焊接過程中,尤其是CO2激光焊接時,激光誘導產生的等離子體中會產生電導性。于是,接觸探頭可以用來探測等離子體區的電荷強度,從而識別焊接狀態?;羋吠南嗔?,而另一端同激光頭相連接。此時接觸區和聚焦鏡需要電絕緣??梢蘊媧?,也可以在等離子體產生的區域設置探頭進行探測。電子和電容相連而形成回路,此時的信號以電壓的形式的傳輸。圖5-圖8為等離子體電荷在線監測的示意圖以及進行測量的原始數據、處理數據以及數據和對應的焊縫。?圖5基于等離子電荷的激光焊接在線監測示意圖文獻4??圖6不同電壓下的等離子體發射譜(a)3V(b)5V(c)7V(d)9V文獻5??圖7測得的等立體電荷信號原始數據到處理完畢的數據圖文獻4?圖8不同等離子體譜線下的焊縫形態(焊接速度不變為:10?mm/s)文獻4
激光焊接過程中的在線監測

2019-11-01 13:39:00

電力設備分布量大、不間斷運轉,其零部件的損壞機率高。主要易損零部件有各種泵軸、轉子及葉片、軸承等,各種汽機、電機、發動機軸頸、閥門、閥桿、密封面、鍵槽等等。其中汽輪機是火力發電的核心設備,由于高溫高熱特殊的工作條件,每年都需定期對損傷的機組零部件進行修復,如主軸軸徑、動葉片等。燃氣輪機由于其在高達1300℃的高溫條件下工作,經常發生損傷。采用激光再制造技術將其缺陷全部修復完好,恢復其使用性能,費用
激光再制造技術在電力行業的應用

2019-01-01 15:22:00

3D打印技術可以克服應用傳統制造技術制作定制化產品生產成本高、消耗資源大、耗時長等缺點,因此應用在工業制造、醫療、教育、航空航天、消費品制造等諸多領域。3D打印材料作為3D打印的重要物質基礎,3D打印材料的發展直接制約著3D打印技術的發展。???2018年全球3D打印材料行業市場現狀分析及發展趨勢??隨著3D打印產業規模越來越大,3D打印材料在整個行業中的地位也愈加重要。2017年,全球3D打印材
2018年全球3D打印材料行業市場現狀分析及發展趨勢 未來仍將保持高速增長

2018-12-08 15:31:00

當前,隨著技術的不斷成熟,3D打印已經被應用于汽車、飛機精密零部件制造等行業,在3D打印技術的推動下,整個精密零部件制造的效果得到了進一步提升。?眾所周知,模具制造與制造業的各個領域都關系密切。為了適應現代社會經濟發展的需要,各種具有不同功能的機械零部件紛紛涌現。在機械零部件的批量化生產過程中,模具是必不可少的。只有利用較高精度的模具,才能生產出優質的機械零部件。???3D打印模具成提升零部件制造
3D打印模具加快應用 精密零件制造進入新時期

2018-10-10 09:32:00

當前,3D打印作為航空航天領域的重要技術,正推動著航模制造的生產工藝革新和生產效率提升。與此同時,3D打印也在一定程度上改變著整個航空航天設備的供應鏈。
3D打印正在推動著航模制造的工藝革新和生產效率的提升

2018-08-06 09:31:00

3D打印的關鍵環節是什么?“當然是材料。尤其是航空航天、機車制造、核電船舶等領域,對打印材料的要求更高。沒有自主研發的關鍵性材料,就會受制于人,很多產品就會在材料環節‘卡脖子’?!蹦暇┲鋅旗襄芳す餳際跤邢薰徑魯ぜ孀芫硇戲上蚣欽吲壯雋蘇庋墓鄣?。
走基層 掙脫3D打印關鍵材料與技術的束縛

2018-07-30 09:30:00

近年來,全球3D打印產業已基本形成了以美、歐等發達國家和地區主導,亞洲國家和地區后起追趕的發展態勢。中國在20世紀80年代末啟動了3D打印技術的研究,經過多年的發展,產業化步伐明顯加快。
3D打印技術優勢漸顯,多方攜手實現航天夢!

2017-12-21 09:28:00

12月16日,中科煜宸榮耀客戶蔚來汽車的首款量產智能電動車ES8正式上市。ES8的車身設計既足夠輕盈,又安全堅固。而在量產SUV中,全鋁車身技術則最能讓這兩個優點合二為一?! ∽魑道雌檔暮獻骰鋨?,中科煜宸同樣希望能夠為汽車行業提供堅實有力的支持。近幾年來,中科煜宸不斷嘗試在新能源汽車領域的創新,成功攻克了全鋁車身及零部件的激光焊接、電機轉子銅合金激光焊接等難題:  新能源汽車車身焊接  ?  
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