武漢理工大學材料科學與工程學院 劉 飛 汪選國

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 段愛琴

鈦合金由于比強度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁，被廣泛應用于航空航天等軍用領域[1]。同時結合焊接技術，以焊代鉚，對于減輕結構重量和提高飛行速度具有重要作用。與傳統(tǒng)焊接技術相比，激光焊接具有能量集中、焊縫成形好、焊件變形小、操作簡單、生產效率高等優(yōu)勢，因而成為鈦合金焊接的主導方向。目前，關于鈦合金激光焊接的大量研究主要集中于CO2和YAG激光焊，但近年來隨著光纖激光器的高速發(fā)展，光纖激光器以其高效率、大功率、高光束質量以及散熱性能好、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢而被認為是高速、大深熔焊接最適當?shù)臒嵩粗籟2]，得到廣泛關注和推廣。目前軍用領域對焊接質量要求越來越高，鈦合金光纖激光焊接的研究具有重要的研究背景。

在所有熔化焊工藝中，熔池特征決定焊縫成形，熔池形狀尺寸、溫度場和動態(tài)變化是影響焊縫內在質量和外表成形好壞的主要因素[3]，實時監(jiān)測熔池形貌和穩(wěn)定性對于指導焊接工藝和保證焊接質量具有重要作用。高向東等[4]利用高速紅外攝像儀研究發(fā)現(xiàn)光纖激光焊接中，熔池溫度梯度參數(shù)與激光束和焊縫的偏離程度成線性關系；P·G·Sanders等[5]利用紅外傳感器發(fā)現(xiàn)熔池紅外光信號強度與焊接熔深之間具有線性關系；Yousuke Kawahito等[6]在光纖激光焊接中利用高速攝像研究熔池特征，并利用熔池輻射光和反射光信號對焊接過程進行反饋控制。

1 試驗條件與方法

試驗材料為2.5mm和6.0mm厚TC4。試驗設備有：德國IPG公司YLS-5000型光纖激光器，最大輸出功率5kW，光斑直徑0.3mm；加拿大Mega Speed Corp.公司Mega MS55K型高速攝像機，最大像素1280×1024，最高拍攝速度50000f/s；自主研發(fā)的激光焊接光信號實時監(jiān)測系統(tǒng)。

本文在TC4鈦合金光纖激光焊接過程中，利用光信號實時監(jiān)測系統(tǒng)采集熔池正面近紅外光輻射信號，以高速攝像機配合適當濾光片為輔助來獲取正面熔池視覺圖像，以此來分析熔池尺寸與光信號之間的關系。

2 試驗結果與分析

2.1 TC4鈦合金光纖激光焊接熔池近紅外光信號典型特征

圖1（a）為典型的TC4鈦合金光纖激光焊接熔池近紅外光原始信號，可以發(fā)現(xiàn)原始信號由直流和波動2部分組成。根據普朗克輻射曲線可知，高溫金屬蒸氣/等離子體在近紅外段同樣具有很高的輻射度，所采集的近紅外光原始信號不僅來自于熔池，還有一部分來自于金屬蒸氣/等離子體，所以原始信號直流部分表征熔池的紅外輻射，波動部分表征高頻振蕩的金屬蒸氣/等離子體的紅外輻射。

這里對原始信號進行低通濾波，去除金屬蒸氣/等離子體的高頻干擾信號，所得到的濾波信號與焊縫對照圖如圖1（b）所示。可以發(fā)現(xiàn)，熔池的紅外熱輻射明顯具有3個階段，分別對應焊接過程中的起焊階段、穩(wěn)定焊接階段和收焊階段。起焊階段由于熔池溫度及尺寸逐漸增長，近紅外光信號相應的逐漸升高；穩(wěn)定焊接階段熔池溫度及尺寸趨于穩(wěn)定，近紅外光信號平緩增長，這是處于冷卻過程中的前段焊縫所產生的紅外輻射引起的；收焊階段由于熔池溫度緩慢降低，使近紅外信號具有同樣變化趨勢。

圖1 熔池近紅外光原始信號（P=2500w,v=1m/min）Fig.1 Molten pool near-infrared light original signal（P=2500w,v=1m/min）

2.2 熔池近紅外光信號與熔池表面尺寸的關系

保持其他參數(shù)不變（焊接速度為2m/min，離焦量為10mm，保護氣為Ar），采用不同的激光功率在2.5mm厚TC4平板上進行全熔透堆焊試驗。圖2所示為整段焊縫經低通濾波處理后的熔池近紅外光信號，圖3為所對應的穩(wěn)定焊接階段熔池圖片。

圖2 整段焊縫熔池近紅外光信號Fig.2 Molten pool near-infrared light signal of the whole welding seam

圖3 穩(wěn)定焊接段熔池Fig.3 Molten pool image of stable welding segment

截取圖2各光信號曲線中的穩(wěn)定焊接段，計算該段信號均方根值(RMS)以表征熔池近紅外光信號相對強度。根據圖3中的熔池圖片計算所對應過程的熔池表面尺寸，包括熔池長度、寬度和熔池面積。兩者與激光功率的關系如圖4所示。

圖4 不同功率下熔池近紅外光信號相對強度與熔池表面尺寸Fig.4 Near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool under different power

由圖4可見，在本試驗1800～4000w的激光功率范圍內，近紅外光信號強度和熔池長度、寬度和面積都隨著激光功率的增加先增大后減小，激光功率為3000w時各參量達到峰值。因為在1800～3000w功率段，焊接熱輸入隨激光功率的提升而增加，熔池面積隨之增大，使熔池近紅外光輻射強度也相應增強。當激光功率增加到4000w時，熔池近紅外光信號和熔池面積不增反降。利用高速攝像拍攝焊縫正背面金屬蒸氣/等離子體，拍攝結果如圖5所示。由圖5可知，功率低于3000w時熔池背面小孔未透，而功率達到4000w時焊縫背面存在強烈地飛濺及金屬蒸氣/等離子體噴射，說明小孔穿透熔池。當熔池中小孔從非穿透型轉變?yōu)榇┩感?，焊接熱傳輸模式發(fā)生了轉變，穿透型小孔使一部分激光能量直接通過小孔從焊縫背面射出而損失掉，導致實際焊接熱輸入降低。而且，在背面金屬蒸氣/等離子體的噴射力及熔池金屬重力作用下，熔池背面產生大量飛濺，熔池中液態(tài)金屬含量減少，從而導致功率為4000w時正面熔池尺寸減小。

根據圖4數(shù)據，得到圖6所示近紅外光信號相對強度與熔池表面尺寸的關系，圖中方框所標識數(shù)據為功率等于4000w的試驗結果。分析發(fā)現(xiàn)，在小孔未穿透情況下，即本試驗中功率小于3000w時，熔池面積、長度和寬度與近紅外光信號具有明顯的線性關系，擬合所得公式見圖6，基于以上公式可以對小孔未穿透條件下的焊接熔池進行實時監(jiān)測和控制。而在小孔穿透條件下，即本試驗中功率為4000w時，由圖6可知上述公式不再適用。這說明在穿透型小孔與非穿透型小孔條件下，近紅外光信號強度與熔池表面尺寸之間的關系式不同。

圖5 不同功率下正背面等離子體Fig.5 Front and back plasma under different power

圖6 近紅外光信號相對強度與熔池表面尺寸的關系Fig.6 Relation between near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool

為獲得穿透型小孔條件下的近紅外光信號與熔池表面尺寸之間的關系式，下面在零離焦量參數(shù)下在2.5mm厚TC4平板上進行全熔透堆焊試驗。不同參數(shù)下正背面等離子體如圖7所示，可知該組試驗小孔為穿透型。

圖7 穿孔條件下正背面等離子體Fig.7 Front and back plasma in the condition of perforation

對于圖7中3組試驗，將不同參數(shù)下的近紅外光信號強度和熔池表面尺寸數(shù)據列于圖8中?？梢园l(fā)現(xiàn)，近紅外光信號強度和熔池表面尺寸隨著激光功率的增加而減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于小孔穿透條件下，激光功率密度越大，產生的金屬蒸氣/等離子體越多，噴射力越強，使小孔變大，更多的激光能量經小孔從背面射出而損失掉，而且背面飛濺更為激烈，熔池中液態(tài)金屬含量減少。

根據本試驗數(shù)據，獲得小孔穿透條件下近紅外光信號相對強度與熔池表面尺寸的關系式如圖9所示。與小孔未穿透情況下比較發(fā)現(xiàn)，小孔穿透時近紅外光信號強度與熔池尺寸的關系式斜率更大，這種差異很可能是由正面金屬蒸氣/等離子體所輻射的紅外光干擾所致。

圖8 穿孔條件下不同功率熔池近紅外光信號相對強度與熔池表面尺寸Fig.8 Near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool under different power in the condition of perforation

圖9 穿孔條件下近紅外光信號相對強度與熔池表面尺寸的關系Fig.9 Relation between near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool in the condition of perforation

2.3 熔池近紅外光信號與熔深的關系

保持激光功率4800w不變，采用不同的焊接速度在6.0mmTC4平板上進行未熔透堆焊試驗，穩(wěn)定焊接階段焊縫橫截面如圖10所示。

測量圖10中各焊縫熔深，并計算對應焊接過程穩(wěn)定焊接階段的近紅外光信號相對強度，熔深與近紅外光信號之間的變化規(guī)律如圖11所示。近紅外光信號強度隨著熔深的增大而增加，二者之間呈現(xiàn)較為明顯的二次曲線關系。因此，在一定工藝范圍內，利用近紅外光信號對焊接熔深進行實時監(jiān)測或控制是可行的。

圖10 焊縫橫截面Fig.10 Weld cross section

圖11 近紅外光信號相對強度與熔深的關系Fig.11 Relation between near-infrared light signalrelative intensities and penetration

3 結論

（1）本試驗條件下，近紅外光信號強度與熔池表面尺寸之間存在線性關系，在穿透型與非穿透型小孔條件下，二者之間的線性關系式不同。

（2）本試驗條件下，近紅外光信號強度與熔深之間存在較為明顯的二次曲線關系。

[1] 趙永慶，奚正平，曲恒磊.我國航空用欽合金材料研究現(xiàn)狀.航空材料學報，2003(23):215-219.

[2] 宋志強.大功率光纖激光器技術及其應用.山東科學,2008,21(6):72-77.

[3] 段愛琴，陳俐，丁立民.YAG激光焊接鈦合金TA15熔池特征.航空制造技術，2009(10):73-76.

[4] GAO X D， YOU D Y， Katayama S. Infrared image recognition for seam tracking monitoring during fiber laser welding. Mechatronics，2012，22(4): 370-380.

[5] Sanders P G，Leong K H，Keske J S，et al. Real-time monitoring of laser beam welding using infrared weld emissions. J Laser Appl，1998，10:205-211.

[6] Yousuke K， Terumasa O， Seiji K. In-process monitoring and feedback control for stable production of full-penetration weld in continuous wave fibre laser welding. J.Phys.D:Appl.Phys，2009，42:1-8.