本發(fā)明涉及激光焊接
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于激光誘導(dǎo)等離子體光譜的激光焊接優(yōu)化方法及其裝置。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接已成為快速、高質(zhì)量的關(guān)鍵連接技術(shù)。激光焊接具有變形和殘余應(yīng)力小，抗拉輕度高，加工柔性大等特點(diǎn)。然而激光焊接工藝參數(shù)的選取受多種因素干擾，激光焊接過程中工件容易遇到未熔透、咬邊、塌陷、氣孔、夾渣等問題，選擇能滿足加工要求的焊接工藝參數(shù)是激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)且亟待解決的問題。通過對激光焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體的深入研究，發(fā)現(xiàn)等離子的狀態(tài)與焊接狀態(tài)、焊接效率和焊接質(zhì)量具有相關(guān)性。因此，通過探測等離子光譜信號來實(shí)時分析焊接過程和控制焊接質(zhì)量具有極為重要的意義。激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體呈梯度分布，橫向或縱向的光譜強(qiáng)度差異較大。4千瓦光纖焊接時等離子體高度僅有5mm，在實(shí)際生產(chǎn)中現(xiàn)有的光譜采集設(shè)備難以確保每次采集的等離子體位置都相對一致，難以將采用不同工藝參數(shù)產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。同時，目前大多光譜數(shù)據(jù)處理辦法脫離了激光作用物質(zhì)產(chǎn)生等離子體的基本物理規(guī)律，偏重于算法處理而無法與激光加工的物理現(xiàn)象結(jié)合，無法解釋等離子體分析方案的原理和可行性，對不同的激光焊接工況條件不具有通用性和指導(dǎo)性，難以在實(shí)際的加工制造中得到應(yīng)用和推廣。因此，與激光焊接物理現(xiàn)象相結(jié)合的等離子體光譜數(shù)據(jù)的處理方法對采用離子體光譜監(jiān)控焊接狀態(tài)具有十分重要的意義。目前，該領(lǐng)域的主要研究集中在實(shí)時探測光致激光誘導(dǎo)等離子體光譜分析焊接熔深性問題，如探測光致等離子體監(jiān)控不同厚度板材的焊接過程、控制不同種類輔助氣體并探測光致等離子體以監(jiān)控焊接過程熔透過程、采用不同吹氣方式控制光致等離子體以控制焊接熔深、探測光致等離子體電信號閉環(huán)控制焊接熔透性、采集光致等離子體圖像分析后控制焊接熔透性等。但上述研究僅將激光誘導(dǎo)等離子體光譜信號用于焊接熔透性分析，并沒有將等離子體光譜信號和整個焊接過程關(guān)聯(lián)起來，無法通過等離子體信號得到除了熔透性外更好的焊接狀態(tài)和工藝參數(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡便、可快速確定優(yōu)化的激光焊接參數(shù)并提高激光焊接質(zhì)量的基于激光誘導(dǎo)等離子體光譜的激光焊接優(yōu)化方法及其 裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于激光誘導(dǎo)等離子體光譜的激光焊接參數(shù)的優(yōu)化方法，包括以下步驟：S1、初步設(shè)定N個焊接參數(shù)，任選其中一個焊接參數(shù)作為變量焊接參數(shù)，另外N-1個焊接參數(shù)設(shè)置為定量焊接參數(shù)，N為2以上的自然數(shù)；S2、開始對焊接工件進(jìn)行激光焊接，在激光焊接過程中，調(diào)節(jié)步驟S1中變量焊接參數(shù)的值；采集每個變量焊接參數(shù)下，激光焊接過程中焊接工件的等離子體光譜信號，并根據(jù)等離子體光譜信號計算等離子體相對激發(fā)溫度；最終得到不同變量焊接參數(shù)所對應(yīng)的等離子體相對激發(fā)溫度；S3、根據(jù)等離子體相對激發(fā)溫度與焊接質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)特性選擇最佳焊接質(zhì)量所對應(yīng)的變量焊接參數(shù)，得到變量焊接參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：在步驟S2中，對采集的等離子體光譜信號進(jìn)行去除非等離子體輻射的干擾。在步驟S2中，等離子體相對激發(fā)溫度的計算過程包括以下步驟：S2.1、利用包絡(luò)線法去除等離子體光譜信號下方的連續(xù)光譜僅留下特征光譜；S2.2、將特征光譜進(jìn)行求平均值處理，并將處理后的特征光譜進(jìn)行歸一化；S2.3、選取焊接工件主要成分元素至少5個A級準(zhǔn)確度相對強(qiáng)度超過106的激發(fā)狀態(tài)波長，確認(rèn)選取波長位置處光譜信號的相對強(qiáng)度IR；S2.4、根據(jù)下式計算等離子體相對激發(fā)溫度TR，lgIRλgmAmn=-5040EmTR+C]]>其中，Em為譜線的上能級激發(fā)電位，單位是cm-1；λ為譜線的波長，單位是nm，IR為光譜信號的相對強(qiáng)度；Amn為躍遷幾率；gm為譜線的上能級統(tǒng)計權(quán)重，C為常數(shù)；gm、Amn、IR、Em的數(shù)值根據(jù)選取的波長通過原子躍遷數(shù)據(jù)查詢所得。步驟S2.2中，求平均值處理的步驟包括：對采集單位時間內(nèi)采集到的光譜信號求平均值，得到該時間段各波長光譜信號的平均值；數(shù)據(jù)歸一化處理的步驟包括：根據(jù)平均值最大對應(yīng)的波長和平均值最小對應(yīng)的波長選取 光譜信號強(qiáng)度的最大值和最小值，進(jìn)行歸一化處理得到光譜相對強(qiáng)度IR，光譜相對強(qiáng)度IR計算公式如下：IR=Ii-IminImax-Imin]]>其中，Ii為原始記錄光譜信號的強(qiáng)度，Imin為光譜強(qiáng)度最小值，Imax為光譜強(qiáng)度最大值。在步驟3中，根據(jù)等離子體激發(fā)溫度與焊接質(zhì)量的關(guān)系，繪制等離子體相對激發(fā)溫度隨所述變量焊接參數(shù)變化的趨勢圖，選取趨勢圖中波谷處對應(yīng)的變量焊接參數(shù)為該變量焊接參數(shù)的優(yōu)化值。在步驟S2中，所述變量焊接參數(shù)由小至大或由大到小逐步調(diào)節(jié)。所述焊接參數(shù)包括焊接功率、焊接速度和離焦量。還包括步驟S4：對步驟S3中優(yōu)化后所述變量焊接參數(shù)進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化，步驟為：S4.1、以步驟S3中優(yōu)化后的變量焊接參數(shù)為定量，以未優(yōu)化的定量焊接參數(shù)中的任一個參數(shù)為新的變量焊接參數(shù)；S4.2、執(zhí)行步驟S2和S3，得到優(yōu)化后的新的變量焊接參數(shù)。一種激光焊接裝置，包括工作臺、激光器、聚焦探頭、光譜儀以及信號處理器，所述工作臺用于放置焊接工件，所述聚焦探頭用于聚焦和采集激光焊接過程中焊接工件的等離子體光譜信號，所述光譜儀用于計算等離子體光譜信號的光譜強(qiáng)度，所述信號處理器用于對等離子體光譜信號進(jìn)行預(yù)處理并根據(jù)光譜信號得到等離子體相對激發(fā)溫度。所述激光器和聚焦探頭均設(shè)于所述焊接工件的上方，且所述聚焦探頭可與激光器同步移動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、本發(fā)明的基于激光誘導(dǎo)等離子體光譜的激光焊接優(yōu)化方法，首先，提出了通過采用激光誘導(dǎo)等離子體光譜數(shù)據(jù)計算相對激發(fā)溫度的方法，用于分析等離子體整體的相對激發(fā)狀態(tài)。該處理方法避免了光譜探測過程中，因為探測角度、探測高度以及激光焊接過程中等離子體周期性變化的影響而無法對比不同探測條件和工藝參數(shù)下光譜數(shù)據(jù)的問題；其次，當(dāng)操作員初步確定焊接條件時，通過該方法可以對比分析焊接過程中不同工藝參數(shù)下等離子的相對激發(fā)狀態(tài)，并可根據(jù)該方法快速獲得等離子激發(fā)度相對最低度的焊接平衡狀態(tài)，可以根據(jù)該方法快速準(zhǔn)確的選定推薦的焊接功率、焊接速度和焊接離焦量等激光焊接參數(shù)，為優(yōu)化激光焊 接工藝參數(shù)，提高激光焊接質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。2、本發(fā)明的激光焊接裝置，可靈活調(diào)節(jié)，可獲得信號質(zhì)量好的激光誘導(dǎo)等離子體光譜信號。附圖說明圖1是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法的流程圖。圖2是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中等離子體相對激發(fā)溫度的計算過程的流程圖。圖3是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接功率為1900w時的光譜儀采集到的原始等離子體光譜圖。圖4是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接功率為1900w時歸一化后的等離子體光譜圖。圖5是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接功率為1500-2100w時的等離子體相對激發(fā)溫度的趨勢圖。圖6是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接功率為1500-2100w時焊接工件焊后的拉伸性能和抗沖擊性能的趨勢圖。圖7是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接離焦量為-9-9mm時的等離子體相對激發(fā)溫度的趨勢圖。圖8是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接離焦量為-9-9mm時焊接工件焊后的拉伸性能和抗沖擊性能的趨勢圖。圖9是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接速度為16-24mm時的等離子體相對激發(fā)溫度的趨勢圖。圖10是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接離焦量為16-24mm時焊接工件焊后的拉伸性能和抗沖擊性能的趨勢圖。圖11是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接功率為1800-1900w時的等離子體相對激發(fā)溫度的趨勢圖。圖12是本發(fā)明激光焊接優(yōu)化方法中激光焊接功率為1800-1900w時焊后焊接工件的拉伸性能和抗沖擊性能的趨勢圖。圖13是本發(fā)明激光焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標(biāo)號表示：1、焊接工件；2、激光器；3、聚焦探頭；4、光譜儀；5、信號處理器；6、光纖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)施例基于激光誘導(dǎo)等離子體光譜的激光焊接優(yōu)化方法包括如下步驟：S1、初步設(shè)定N個焊接參數(shù)，任選其中一個焊接參數(shù)作為變量焊接參數(shù)，另外N-1個焊接參數(shù)設(shè)置為定量焊接參數(shù)，N為2以上的自然數(shù)；S2、開始對焊接工件1進(jìn)行激光焊接，在激光焊接過程中，調(diào)節(jié)步驟S1中變量焊接參數(shù)的值；采集每個變量焊接參數(shù)下，激光焊接過程中焊接工件1的等離子體光譜信號，并根據(jù)等離子體光譜信號計算等離子體相對激發(fā)溫度；最終得到不同變量焊接參數(shù)所對應(yīng)的等離子體相對激發(fā)溫度；S3、根據(jù)等離子體相對激發(fā)溫度與焊接質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)特性選擇最佳焊接質(zhì)量所對應(yīng)的變量焊接參數(shù)，得到變量焊接參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。焊接工件1焊接過程中，當(dāng)單位時間內(nèi)的輻照密度過高時，相對等離子體溫度較高，焊接的熱輸入量較大，焊接過程中金屬蒸氣和飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重，焊縫處主要缺陷表現(xiàn)為凹坑或者縮頸。焊后的熱影響區(qū)較大時，焊后工件塑性和韌性嚴(yán)重下降；當(dāng)單位時間內(nèi)的輻照密度過低時，相對等離子體溫度也會相對較高，焊接的熱輸入量主要集中在待焊工件表面，焊接過程中金屬蒸氣現(xiàn)象嚴(yán)重，焊縫處主要缺陷表現(xiàn)為未熔透、或上部熔化焊而下部熱傳導(dǎo)焊。焊后的熱影響區(qū)較小時，焊后工件強(qiáng)度和韌性達(dá)不到焊接要求。在上述兩種相對等離子體溫度過高的狀態(tài)中間，會出現(xiàn)波谷現(xiàn)象，當(dāng)單位時間內(nèi)的輻照密度合適時，焊接的熱輸入量正好可以熔透待焊工件，焊接過程中金屬蒸氣和飛濺最少，焊縫無明顯缺陷，焊后的熱影響區(qū)較小，焊后工件的強(qiáng)度、塑性和韌性最好。因此，本發(fā)明通過建立焊接質(zhì)量、等離子體相對溫度、焊接參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，通過等離子體相對溫度的變化趨勢，選取最佳焊接質(zhì)量對應(yīng)的焊接參數(shù)，從而得到優(yōu)化后的焊接參數(shù)。本實(shí)施例的焊接參數(shù)包括焊接功率、焊接速度和離焦量，通過上述優(yōu)化方法對焊接功率、焊接速度和離焦量逐次進(jìn)行優(yōu)化，從而得到優(yōu)化后的焊接功率、焊接速度和離焦量，步驟S2中，變量焊接參數(shù)由小至大或由大到小逐步調(diào)節(jié)，計算等離子體相對激發(fā)溫度之前，需要對采集的等離子體光譜信號進(jìn)行去除非等離子體輻射的干擾。采用本實(shí)施例的激光焊接優(yōu)化方法，當(dāng)操作員初試焊接條件時，可以根據(jù)該方法快速準(zhǔn) 確的選定合適的焊接功率、焊接速度和焊接離焦量等激光焊接參數(shù)，通過分析激光焊接等離子體狀態(tài)參數(shù)確定焊接平衡狀態(tài)，可在實(shí)際激光焊接過程中確定優(yōu)化工藝參數(shù)，提高激光焊接質(zhì)量并為在線質(zhì)量控制奠定基礎(chǔ)。圖2所示，本實(shí)施例中，在步驟S2中，等離子體相對激發(fā)溫度的計算過程包括以下步驟：S2.1、利用包絡(luò)線法去除等離子體光譜信號下方的連續(xù)光譜僅留下特征光譜；S2.2、將特征光譜進(jìn)行求平均值處理，并將處理后的特征光譜進(jìn)行歸一化；S2.3、選取焊接工件1主要成分元素至少5個A級準(zhǔn)確度相對強(qiáng)度超過106的激發(fā)狀態(tài)波長，確認(rèn)選取波長位置處光譜信號的相對強(qiáng)度IR；S2.4、根據(jù)下式計算等離子體相對激發(fā)溫度TR，lgIRλgmAmn=-5040EmTR+C]]>其中，Em為譜線的上能級激發(fā)電位，單位是cm-1；λ為譜線的波長，單位是nm，IR為光譜信號的相對強(qiáng)度；Amn為躍遷幾率；gm為譜線的上能級統(tǒng)計權(quán)重，C為常數(shù)；gm、Amn、IR、Em的數(shù)值根據(jù)選取的波長通過原子躍遷數(shù)據(jù)查詢所得。步驟S2.1中，首先，求出譜線上方的極小值點(diǎn)，再利用曲線進(jìn)行擬合，然后用原始光譜數(shù)據(jù)減去擬合曲線數(shù)據(jù)就得到了去除連續(xù)光譜的特征光譜。步驟S2.2中，求平均值處理：將單位時間內(nèi)采集到的光譜數(shù)據(jù)對應(yīng)各波長強(qiáng)度計算平均值，得到該時間段內(nèi)各波長光譜數(shù)據(jù)的平均值，記錄n時間內(nèi)光譜數(shù)據(jù)，把n時間內(nèi)光譜數(shù)據(jù)的每個波長的光譜強(qiáng)度求平均值，得到n時間內(nèi)該波長的平均值，然后計算n時間內(nèi)平均值最大對應(yīng)的波長和平均值最小對應(yīng)的波長。數(shù)據(jù)歸一化處理：根據(jù)平均值最大對應(yīng)的波長和平均值最小對應(yīng)的波長選取光譜信號強(qiáng)度的最大值和最小值，進(jìn)行歸一化處理得到光譜相對強(qiáng)度IR，光譜相對強(qiáng)度IR計算公式如下：IR=Ii-IminImax-Imin]]>其中，Ii為原始光譜信號的強(qiáng)度，Imin為光譜強(qiáng)度最小值，Imax為光譜強(qiáng)度最大值。依據(jù)上述公式將數(shù)據(jù)歸一化。多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析時，歸一化選取的最大值應(yīng)為同一波長所對應(yīng)的值。步驟S2.3中，選取的5個A級準(zhǔn)確度相對強(qiáng)度超過106的激發(fā)狀態(tài)波長，查詢計算后的 選取的各波長位置處光譜信號的光譜相對強(qiáng)度IR。步驟S2.4中，將選出數(shù)據(jù)導(dǎo)入相對激發(fā)溫度計算公式，至少完成5組計算結(jié)果后，以為y軸，Em為x軸，繪制散點(diǎn)圖再繪制直線圖，其斜率為-5040/TR，由斜率計算出等離子體相對激發(fā)溫度TR。等離子體相對激發(fā)溫度的計算的原理如下：(1)在激光焊接過程中，由于激光焊接過程中功率參數(shù)變化幅度相對較小，激發(fā)能級的統(tǒng)計權(quán)重一般不會發(fā)生變化。布局?jǐn)?shù)受統(tǒng)計權(quán)重變化的影響較小，而受絕對溫度變化的影響較大，也就說明溫度升高電子的布局?jǐn)?shù)會發(fā)生變化，相對躍遷幾率發(fā)生變化；部分高能級的布局?jǐn)?shù)增大，躍遷幾率增加，也就造成譜線的相對強(qiáng)度發(fā)生變化。本發(fā)明因此設(shè)計了根據(jù)譜線相對強(qiáng)度計算相對激發(fā)溫度的方法。比較同一元素的不同譜線強(qiáng)度時，將最強(qiáng)譜線強(qiáng)度，即布局?jǐn)?shù)密度大、躍遷幾率最高的躍遷能級作為基準(zhǔn)，對比其他譜線，即其他能級的布局?jǐn)?shù)密度、躍遷幾率的相對變化，就可以對比等離子體的相對激發(fā)狀態(tài)。(2)在激光焊接實(shí)際加工中，等離子體周期的呈現(xiàn)從生長到消亡的過程，等離子體變化幅度很大，探測到的其光譜強(qiáng)度也就變化較大。同時，探頭的聚焦范圍對收集的等離子體光譜的強(qiáng)度影響很大，難以采集到穩(wěn)定且質(zhì)量高的等離子體光譜信號。因此，不加處理的直接對比光譜強(qiáng)度得不到焊接過程等離子體的整體狀態(tài)。本發(fā)明設(shè)計了去除連續(xù)光譜——求平均值——?dú)w一化處理三個依次進(jìn)行的光譜處理步驟。激光焊接過程中形成的光譜除了特征光譜外還會形成連續(xù)光譜，而連續(xù)光譜多是由于熱輻射和軔致輻射而產(chǎn)生的，與布局?jǐn)?shù)和躍遷幾率關(guān)系不大，因此需要去除。為了得到光譜周期性的整體狀態(tài)，平均處理光譜數(shù)據(jù)是較為合理的方式。將整段時間內(nèi)的最強(qiáng)值和最弱值都進(jìn)行統(tǒng)計，可以特征性的表現(xiàn)等離子體整體狀態(tài)。光譜數(shù)據(jù)一般是通過光柵分光照射到CCD(CCD指電荷耦合元件)上進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的，記錄的數(shù)據(jù)就是光譜的相對強(qiáng)度；但不同的CCD響應(yīng)基準(zhǔn)不同，會整體增加記錄的光譜數(shù)據(jù)強(qiáng)度。因此，再次歸一化可以減弱因CCD響應(yīng)基準(zhǔn)不同而造成的光譜強(qiáng)度差異。(3)相對激發(fā)溫度的計算波長需要選擇特征性強(qiáng)的譜線進(jìn)行比較，主要選取譜線精確度為A級以上，相對強(qiáng)度高于106且無自吸收的波長進(jìn)行計算。相同能量的粒子在不同的量子末態(tài)躍遷會發(fā)射非常接近的精細(xì)譜線，即每一個能級上可能有若干個不同的量子狀態(tài)存在。 因此，需要選擇精確度高、相對強(qiáng)度高、無自吸收現(xiàn)象的具有代表性的譜線進(jìn)行計算。選擇的譜線與整體的激發(fā)狀態(tài)正相關(guān)性越大，越可以反映等離子體的整體激發(fā)狀態(tài)。(4)由光譜強(qiáng)度計算相對激發(fā)溫度需要考慮選定譜線的波長、躍遷幾率、統(tǒng)計權(quán)重、激發(fā)能量等參數(shù)對計算結(jié)果的影響。本發(fā)明采用將相對光譜強(qiáng)度導(dǎo)入等離子體激發(fā)溫度的計算公式中進(jìn)行計算等離子體相對激發(fā)溫度。等離子體激發(fā)溫度是表征等離子體光源所能激發(fā)的原子外層電子在各能級分布狀態(tài)的參數(shù)，是代表光源激發(fā)能力的主要參數(shù)之一，通常用來計算某一點(diǎn)的離子激發(fā)溫度，通過直接測定的絕對光譜強(qiáng)度計算絕對等離子體激發(fā)溫度。本發(fā)明根據(jù)等離子體激發(fā)溫度Tg計算公式，進(jìn)行等離子體相對激發(fā)溫度TR的計算。等離子體激發(fā)溫度Tg的計算公式如下，lgIgλgmAmn=-5040EmTg+C]]>其中，Em為譜線的上能級激發(fā)電位，單位是cm-1；λ為譜線的波長，單位是nm，Ig為光譜強(qiáng)度的絕對強(qiáng)度系數(shù)；Amn為躍遷幾率；gm為譜線的上能級統(tǒng)計權(quán)重，C為常數(shù)；將光譜強(qiáng)度的相對強(qiáng)度IR替換等離子體激發(fā)溫度公式中的光譜強(qiáng)度的絕對強(qiáng)度Ig，即可得到等離子體相對激發(fā)溫度TR。本發(fā)明提出了通過采用歸一法處理激光誘導(dǎo)等離子體光譜數(shù)據(jù)后計算相對等離子體溫度的方法，該數(shù)據(jù)處理方法避免了光譜探測過程中，因為探測角度和探測高度的影響，而無法對比不同探測條件下光譜數(shù)據(jù)的問題。本實(shí)施例中，在步驟S3中，根據(jù)等離子體激發(fā)溫度與焊接質(zhì)量的關(guān)系，繪制等離子體相對激發(fā)溫度隨所述變量焊接參數(shù)變化的趨勢圖，選取趨勢圖中波谷處對應(yīng)的變量焊接參數(shù)為該變量焊接參數(shù)的優(yōu)化值。本發(fā)明基于下述原理：(1)由于采用等離子體相對激發(fā)溫度的計算程序，可以將不同工藝參數(shù)的在單位時間內(nèi)收集的等離子體光譜用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析對比。同時，等離子體相對激發(fā)溫度也可以表現(xiàn)每一組譜線所對應(yīng)的等離子體的整體激發(fā)狀態(tài)和特征。因此，繪制的等離子體相對激發(fā)溫度隨參數(shù)變化的趨勢圖可以反映激發(fā)等離子體隨參數(shù)變化的趨勢。(2)激光深熔焊是通過連續(xù)激光作用工件縫隙形成連接，其主要能量轉(zhuǎn)化方式是通過小 孔效應(yīng)。當(dāng)激光功率足夠高時，激光輻照的材料表面會產(chǎn)生金屬蒸氣，金屬蒸氣被激光再次激發(fā)形成等離子體，這兩種能量形態(tài)都具有極快的擴(kuò)散速度，會對下方的熔池產(chǎn)生沖擊作用，使熔池產(chǎn)生較深的孔洞，加快了熔池中金屬液體的流動速度，將熱量傳遞到焊縫的底部和側(cè)部，使孔洞周圍的金屬熔化。小孔隨著激光束移動，將焊接工件1的空隙用孔壁周圍的熔融金屬填充并隨之冷卻，形成焊縫組織。在焊接過程中，激光、熔池、金屬蒸氣、等離子體和焊縫處于相互作用和影響的狀態(tài)。(3)激光焊接過程中產(chǎn)生的金屬蒸氣和等離子體不是持續(xù)性的，而是呈一定周期波動的。這是因為激光激發(fā)出金屬蒸氣，金屬蒸氣在激光和熔池之間阻擋了激光繼續(xù)作用基材，會吸收大量的能量形成等離子體，這就是激光加工中的屏蔽現(xiàn)象。當(dāng)下方的熔池溫度降低沒有持續(xù)的金屬蒸氣噴出屏蔽激光時，等離子體就會快速消散，然后激光再繼續(xù)作用于熔池形成金屬蒸氣形成周期性。(4)當(dāng)焊接過程中輸入能量過大時，激光蒸發(fā)了大量的金屬蒸氣，形成較強(qiáng)的等離子體，會在熔池上方產(chǎn)生垂直于熔池的沖擊力，熔池會大幅的不穩(wěn)定波動，主要造成金屬液體噴出熔池，產(chǎn)生飛濺、塌陷、縮頸等問題，焊接質(zhì)量嚴(yán)重下降；當(dāng)焊接過程中輸入能量過小時，激光作用物質(zhì)產(chǎn)生的金屬蒸氣反沖作用力較小，垂直于熔池的沖擊力小，熔深不足，形成未達(dá)標(biāo)的未熔透焊縫。同時，大量的金屬蒸氣在熔池上方吸收激光能量使激光發(fā)生散射，輸入的能量會使熔池變寬，焊縫的熱影響區(qū)變寬。(5)相比于等離子體的擴(kuò)散速度，金屬蒸氣的擴(kuò)散速度較慢，對熔池流動速度貢獻(xiàn)較小。理想的焊接形態(tài)是激光作用物質(zhì)產(chǎn)生的金屬蒸氣完全轉(zhuǎn)化為等離子體，加速垂直于熔池表面液體的流動速度，盡量避免熱量向兩邊擴(kuò)散，減小焊接的熱影響區(qū)。(6)繪制的相對激發(fā)溫度變化趨勢圖中，等離子體相對激發(fā)溫度相對最小的拐點(diǎn)處等離子體激發(fā)狀態(tài)最好，相對最小的拐點(diǎn)處指的是：采用的等離子體相對激發(fā)溫度是出現(xiàn)波谷處的相對較低，即隨著焊接功率增大，先升高再降低，再繼續(xù)升高的過程；不是功率密度和熱輸入量不足時，等離子體相對激發(fā)溫度的絕對最低。激光的能量既沒有過大，造成金屬液體噴出熔池，也沒有能量過小，造成過多的金屬蒸氣散射激光增大熔池表面積。研究發(fā)現(xiàn)，該種狀態(tài)下激光、熔池、金屬蒸氣、等離子體和焊縫達(dá)到動態(tài)平衡。金屬蒸氣絕大部分轉(zhuǎn)化的等離子體集中在小孔上方，反沖力攪動熔池將熱量帶到焊縫底部使工件完全焊透。由于輸入能量大部分轉(zhuǎn)化為熔池的熱量和流動動量，金屬蒸發(fā)量和等離子體激發(fā)量為相對最小值。整個焊接過程金屬蒸氣的蒸發(fā)量和熔池的飛濺量都是相對最小的，焊縫完全焊透，對側(cè)向的熱影響區(qū)也相對最小，焊接后的拉伸性能和沖擊性能都相對最好。本實(shí)施例中，優(yōu)化的焊接參數(shù)主要為焊接功率、焊接速度和焊接離焦量；根據(jù)上述方法，初選焊接參數(shù)為：焊接速度20mm/s，離焦量為0mm，焊接功率為變量，本實(shí)施例變量焊接參數(shù)由小至大逐步調(diào)節(jié)；保護(hù)氣體為氮?dú)?，流量?0L/min。圖3為基于上述初定參數(shù)，激光焊接功率為1900w時，激光焊接過程的激光誘導(dǎo)等離子體光譜強(qiáng)度，從圖3中可以看出激光誘導(dǎo)等離子體光譜信號強(qiáng)度隨著波長變化出現(xiàn)不同的強(qiáng)度分布，圖3中光譜下方的背景光強(qiáng)度較高(即圖3中光譜曲線與橫坐標(biāo)之間的空白處較大)。圖4為圖3中原始光譜信號數(shù)據(jù)去除連續(xù)光譜后，再進(jìn)行歸一化處理后的光譜圖。圖4中403.42nm處的光譜強(qiáng)度最強(qiáng)，將該處強(qiáng)度作為歸一化處理的標(biāo)準(zhǔn)。圖4中圓點(diǎn)標(biāo)注的是選取的A級準(zhǔn)確度，相對強(qiáng)度超過106的FeI譜線，選定的值用來計算等離子體相對激發(fā)溫度。通過查詢對應(yīng)的FeI線的相關(guān)數(shù)據(jù)列表如下：表1波長為340-430nm區(qū)間A級準(zhǔn)確度及相對強(qiáng)度超過106的FeI譜線波長nm躍遷幾率Amn高能級能量Em統(tǒng)計權(quán)重gm相對強(qiáng)度IR準(zhǔn)確度363.14635.17E+0735257.324091150000A370.55663.21E+0627394.691071290000A372.25634.91E+0627559.583051290000A374.55611.15E+0727394.691072510000A385.63714.64E+0626339.696051100000A389.97072.58E+0626339.696051070000A392.29121.08E+0625899.989091000000A404.58128.62E+0736686.176091000000A圖5選取1500w、1600w、1700w、1800w、1900w、2000w和2100w的焊接功率進(jìn)行焊接并采集光譜信號數(shù)據(jù)，根據(jù)表1中各波長所對應(yīng)的相對強(qiáng)度和各選取參數(shù)，分別計算不同焊接功率下的等離子體相對激發(fā)溫度。如圖示5所示，采用波長的相對強(qiáng)度計算等離子體相對激發(fā)溫度的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的波谷現(xiàn)象。此處需要說明的是通過等離子體相對激發(fā)溫度確定合適焊接條件時，采用的等離子體相對激發(fā)溫度是出現(xiàn)波谷處的相對較低，即隨著焊接功率增大，先升高再降低，再繼續(xù)升高的過程；不是功率密度和熱輸入量不足時，等離子體相對激發(fā)溫度的絕對較低。因此，選取波谷處1800w和1900w為焊接功率的優(yōu)化值。焊接工件1在激光焊接過程中，當(dāng)單位時間內(nèi)的輻照密度合適時，相對等離子體溫度會出現(xiàn)波谷現(xiàn)象，焊接的熱輸入量正好可以熔透待焊工件，焊接過程中金屬蒸氣和飛濺最少，焊縫無明顯缺陷，焊后的熱影響區(qū)較小。因此，1800w和1900w為波谷處對應(yīng)的焊接功率為該激光焊接條件下的激光焊接過程中的最優(yōu)值。而當(dāng)單位時間內(nèi)的輻照密度過高時，相對等 離子體溫度相對較高，焊接的熱輸入量較大，焊接過程中金屬蒸氣和飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重，焊縫處主要缺陷表現(xiàn)為凹坑或者縮頸；或者當(dāng)單位時間內(nèi)的輻照密度過低時，相對等離子體溫度也會相對較高，焊接的熱輸入量主要集中在待焊工件表面，焊接過程中金屬蒸氣現(xiàn)象嚴(yán)重，焊縫處主要缺陷表現(xiàn)為未熔透、或上部熔化焊而下部熱傳導(dǎo)焊。圖6反應(yīng)了采用不同焊接功率參數(shù)得到的焊接工件1進(jìn)行拉伸性能測試和沖擊性能測試，測試結(jié)果表明波谷處參數(shù)(功率為1800w和1900w時)所對應(yīng)的拉伸性能和抗沖擊性能相對最佳，1800w的抗沖擊強(qiáng)度最高，說明抗沖擊性能的變化趨勢與焊接過程中熱輸入量直接相關(guān)。功率過高時，焊后的熱影響區(qū)較大，焊后工件塑性和韌性嚴(yán)重下降；功率過低時，焊接的熱作用過小，焊縫融化不完全，工件強(qiáng)度和韌性達(dá)不到要求。因此，可以判定該材料(焊接工件1)在焊接速度為20mm/s，離焦量為0mm時，最佳的激光功率參數(shù)處于1800-1900w之間。焊接功率、焊接速度和離焦量三者參數(shù)選擇可以根據(jù)焊接設(shè)備、焊接材料以及實(shí)際工況有選擇的進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化順序不分先后。本實(shí)施例中，步驟S3之后，還包括步驟S4：對步驟S3中優(yōu)化后所述變量焊接參數(shù)進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化，步驟為：S4.1、以步驟S3中優(yōu)化后的變量焊接參數(shù)為定量，以未優(yōu)化的定量焊接參數(shù)中的任一個參數(shù)為新的變量焊接參數(shù)；S4.2、執(zhí)行步驟S2和S3，得到優(yōu)化后的新的變量焊接參數(shù)。由上述優(yōu)化的焊接功率1900w為定量，焊接速度為20mm/s為定量，以此優(yōu)化焊接離焦量；從負(fù)離焦量狀態(tài)到正離焦量逐漸增加離焦量，對焊接工件1進(jìn)行激光焊接，離焦量參數(shù)選取-9，-7，-5，-3，-1，0，+1，+3，+5，+7，+9(mm)，繪制等離子體相對激發(fā)溫度與離焦量的變化趨勢圖，多個波谷時，選擇等離子體相對激發(fā)溫度相對較低的離焦量的值為推薦值。圖7為等離子體相對激發(fā)溫度隨離焦量變化的趨勢圖，圖7中有多個波谷，但離焦量為-3mm時等離子體相對激發(fā)溫度相對較低，離焦量推薦參數(shù)為-3mm。圖8為不同離焦量下焊接工件1的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，離焦量為-3mm處所對應(yīng)的強(qiáng)度最高，與該離焦量的推薦值一致。本實(shí)施例中，由上述優(yōu)化的焊接功率1900w為定量焊接參數(shù)，初選離焦量0mm為定量，以此優(yōu)化焊接速度；從小到大逐漸提高焊接速度，對焊接工件1進(jìn)行激光焊接，焊接速度參數(shù)為16，18，20，22，24(mm/s)，圖9為等離子體相對激發(fā)溫度隨焊接速度變化的趨勢圖， 確定波谷處焊接速度18(mm/s)為推薦值。圖10為不同焊接速度下焊接工件1的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，18mm/s處所對應(yīng)的強(qiáng)度最高，與焊接速度的推薦值一致。需要指出的是等離子體相對最低溫度下強(qiáng)度較高，而絕對最低時焊縫并未完全焊透強(qiáng)度較低。同時，可根據(jù)循環(huán)優(yōu)化進(jìn)一步優(yōu)化，得到最合適三個焊接參數(shù)。由上述優(yōu)化結(jié)果得到，焊接速度為優(yōu)化后的18mm/s為定量焊接參數(shù)，離焦量為優(yōu)化后的-3mm為定量焊接參數(shù)，以此優(yōu)化焊接功率為變量焊接參數(shù)；設(shè)定功率區(qū)間為1800-1900w，對焊接工件1進(jìn)行激光焊接，功率參數(shù)選取1800，1830，1850，1870，1900(w)，繪制出如圖11所示的相對激發(fā)溫度與功率的變化趨勢圖，確定等離子體相對激發(fā)溫度趨勢圖中波谷處的焊接功率參數(shù)為優(yōu)化后的推薦值。圖12為循環(huán)優(yōu)化下焊接工件1的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，焊接功率為1870w處所對應(yīng)的強(qiáng)度最高，與該焊接功率的推薦值一致。由此得知，采用循環(huán)優(yōu)化的方法可進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量。圖13示出了本發(fā)明激光焊接裝置的一種實(shí)施例，該激光焊接裝置包括工作臺(圖中未示出)、激光器2、聚焦探頭3、光譜儀4以及信號處理器5，工作臺用于放置焊接工件1，聚焦探頭3用于聚焦和采集激光焊接過程中焊接工件1的等離子體光譜信號，光譜儀4用于計算等離子體光譜信號光譜強(qiáng)度，信號處理器5用于對等離子體光譜信號進(jìn)行預(yù)處理并根據(jù)光譜信號得到等離子體相對激發(fā)溫度。激光器2和聚焦探頭3均設(shè)于焊接工件1的上方，且聚焦探頭3可與激光器2同步移動，聚焦探頭3將采集到的光譜信號通過光纖6傳送到光譜儀4，光譜儀4根據(jù)該光譜信號的計算光譜強(qiáng)度，并將計算結(jié)果輸送給信號處理器5中，信號處理器5接收到該數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理和分析，最后計算輸出等離子體相對激發(fā)溫度。本實(shí)施例的激光焊接裝置，可靈活調(diào)節(jié)，可獲得信號質(zhì)量好的激光誘導(dǎo)等離子體光譜信號。本實(shí)施例中，激光器2固定在機(jī)器人上與焊接工件1之間發(fā)生相對移動，針對中錳鋼材料特性在300-800nm區(qū)間內(nèi)選取波長接收范圍為340-430nm的光譜儀4，光譜儀4設(shè)定積分時間為20ms，保證光譜儀4計算的光譜強(qiáng)度比較穩(wěn)定。本實(shí)施例中，激光器2設(shè)于焊接工件1焊接部位的正上方，聚焦探頭3設(shè)于焊接工件1的焊接部位的斜上方，聚焦探頭3固定角度沒有限制，且在激光焊接過程中可以進(jìn)一步調(diào)整聚焦探頭3的位置，以保光譜儀4輸出光譜信號強(qiáng)度明顯高于噪聲信號，同時不超過光譜儀4的測量范圍。除本實(shí)施例外，聚焦探頭3還可以與激光器2同軸布置。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本 發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3