孫 謙，黃瑞生，雷 振，楊義成，王旭友，李俐群

1. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)與工程系，黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

焊縫的熔透狀態(tài)是衡量鈦合金激光焊接成形質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，同時(shí)激光焊接熔透準(zhǔn)確識(shí)別是實(shí)現(xiàn)高功率激光焊接質(zhì)量在線控制的重要環(huán)節(jié)，但由于高功率激光焊接過(guò)程存在劇烈能量交互效應(yīng)，匙孔內(nèi)部及上方存在大量等離子體、金屬飛沫、金屬蒸汽焰、粒子團(tuán)簇等噴射物質(zhì)，由于這些物質(zhì)具有強(qiáng)光輻射、黑體吸收、光線遮擋、光學(xué)反射、散射等強(qiáng)干擾作用，而熔透特征區(qū)域位于激光匙孔底部，其直徑一般在0.05～0.4 mm(激光光纖芯徑不大于600 μm)屬于介觀尺度范疇，因此在焊縫正面穿透所有干擾物質(zhì)，進(jìn)入匙孔底部對(duì)介觀尺度低輻值熔透信號(hào)進(jìn)行識(shí)別是一項(xiàng)極難攻克的技術(shù)難點(diǎn)。所以當(dāng)前檢測(cè)手段主要采用等離子體光輻射、熔池?zé)釄?chǎng)、熔池表面特征、匙孔聲學(xué)特征等間接信號(hào)作為測(cè)試依據(jù)[1-4]，雖然這些信號(hào)都能在一定程度上反映出激光焊接過(guò)程熔透狀態(tài)的某些特征信息，但是間接測(cè)量受電、磁場(chǎng)、氣流、溫度等環(huán)境影響因素較多、不確定性大，測(cè)試可靠性難以保證[5]。

由于等離子體等絕大多數(shù)干擾信號(hào)會(huì)在紅外譜段得到大幅衰減，因此采用光譜透視手段是解決激光匙孔內(nèi)熔透特征信息難以識(shí)別的有效途徑[6-7]，以大功率固體激光焊接TC4鈦合金為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)自行研制的激光焊接同軸顯微光路系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)首次研究匙孔內(nèi)部受激輻射行為透視成像技術(shù)及實(shí)像內(nèi)部介觀尺度下的熔透特征信號(hào)高精度空間定位提取技術(shù)，創(chuàng)新出一種基于直接信號(hào)測(cè)試的高功率激光焊接熔透在線檢測(cè)光學(xué)處理新方法，同時(shí)通過(guò)光譜透視、紅外顯微成像、光電傳感、空間定位提取等復(fù)合處理方法，將原始光學(xué)信號(hào)逐層分離，有效降低干擾信號(hào)數(shù)量、提高熔透有效信息在混合信號(hào)中的占比，增強(qiáng)識(shí)別準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)對(duì)匙孔內(nèi)熔透特征直接信號(hào)的有效增強(qiáng)和精準(zhǔn)提取，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可靠熔透在線檢測(cè)提供有力的基礎(chǔ)信號(hào)保障。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

試驗(yàn)裝置包括大功率固體激光焊接設(shè)備、行走式焊接工作臺(tái)、激光焊接熔透檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等，主要實(shí)現(xiàn)激光焊接、熔透狀態(tài)檢測(cè)、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理等功能。其中激光焊接熔透檢測(cè)裝置主要由同軸顯微光路系統(tǒng)和光電檢測(cè)系統(tǒng)組成。同軸顯微光路系統(tǒng)由窄帶濾光片和特制的顯微鏡頭組構(gòu)成。光電檢測(cè)系統(tǒng)由三維微調(diào)機(jī)構(gòu)、高敏光感元件、數(shù)據(jù)采集與處理單元構(gòu)成。檢測(cè)裝置實(shí)物及內(nèi)部組成如圖1所示，實(shí)驗(yàn)條件見表1。

圖1 熔透檢測(cè)裝置及內(nèi)部組成

表1 激光焊熔透試驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions of laser welding penetration

1.2 測(cè)試原理

研究表明激光焊接時(shí)匙孔內(nèi)壁在劇烈的能量交互作用下會(huì)被激發(fā)出微弱的熒光現(xiàn)象[8-9]，由于該輻射現(xiàn)象產(chǎn)生于匙孔內(nèi)壁表面，與匙孔形態(tài)變化有直接關(guān)聯(lián)，因此可作為反映匙孔內(nèi)壁行為變化的直接檢測(cè)信號(hào)。但是匙孔上方的強(qiáng)烈激光致等離子體等噴射遮擋物質(zhì)是檢測(cè)匙孔內(nèi)部熔透行為特征的主要技術(shù)障礙之一。需要通過(guò)具有穿透能力的大景深光學(xué)聚焦處理，同時(shí)選取特定的紅外譜段利用不同發(fā)光體的譜段特性分離并抑制激光焊接匙孔上方的等離子體、金屬蒸汽焰、粒子團(tuán)簇等強(qiáng)干擾信號(hào)，使匙孔內(nèi)壁熒光輻射信號(hào)得到有效增強(qiáng)[10]，實(shí)現(xiàn)光譜透視效果，圖2(a)為采用同軸顯微光路系統(tǒng)對(duì)3 mm厚鈦合金激光穿透焊在“適度熔透”時(shí)捕捉到的熔透特征映像。

圖2(a)中顯示的是鈦合金激光熔透焊接時(shí)匙孔內(nèi)壁產(chǎn)生的熒光現(xiàn)象，從圖中不難發(fā)現(xiàn)較中心位置存在一個(gè)低灰度暗區(qū)，這是由于激光穿透工件時(shí)在匙孔底部形成了缺口，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域失去了熒光效應(yīng)而產(chǎn)生的，當(dāng)激光功率較低時(shí)該暗區(qū)呈周期性的閃動(dòng)出現(xiàn)，但是隨著激光功率的增強(qiáng)，該區(qū)域的停留時(shí)間及面積均有明顯增加趨勢(shì)[如圖2(b)所示]，由于該區(qū)域與激光焊接熔透狀態(tài)直接相關(guān)，可定義為熔透特征區(qū)域。

圖2 激光焊接熔透特征圖像(a)：適度熔透下的特征映像；(b)：不同功率下的特征映像

激光焊接匙孔內(nèi)部受激輻射行為特征的透視顯微實(shí)像由位于激光焊接頭同軸監(jiān)控口處的同軸顯微光路系統(tǒng)獲得，焊接時(shí)同軸監(jiān)控口處的混合光信號(hào)首先通過(guò)濾光片進(jìn)行譜段分離實(shí)現(xiàn)對(duì)匙孔內(nèi)壁熒光輻射信號(hào)的有效增強(qiáng)，然后經(jīng)過(guò)一組變倍鏡頭、變焦鏡頭、物鏡鏡頭順序連接具有增長(zhǎng)工作距離、加大景深、匯聚視角作用的特制顯微鏡頭組匯聚成放大的光學(xué)實(shí)像，再通過(guò)三維微調(diào)機(jī)構(gòu)將高敏光感元件的光感面調(diào)節(jié)并定位于實(shí)像中的熔透特征位置，進(jìn)行微區(qū)定點(diǎn)測(cè)試，由此通過(guò)光譜透視—顯微成像—介觀尋位萃取的逐層光學(xué)分離方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔透輻射特征信號(hào)的有效捕捉[11-12]，數(shù)據(jù)采集與處理單元用于完成對(duì)高敏光感元件傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，檢測(cè)信號(hào)與主機(jī)數(shù)據(jù)信息交互通過(guò)以太網(wǎng)接口連接實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集與處理單元工作原理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理單元工作原理圖

2 精確定位傳感技術(shù)

通過(guò)常規(guī)信號(hào)提取方法實(shí)現(xiàn)熔透特征區(qū)域信號(hào)有效識(shí)別是極為困難的，因?yàn)楸热? kW激光在3 mm厚鈦合金板上產(chǎn)生的匙孔上端開口直徑在1 mm左右，下端開口直徑一般小于0.2 mm，所以熔透特征區(qū)域僅占不到匙孔面積的1/25，并且焊接過(guò)程中匙孔內(nèi)的熱輻射情況也會(huì)存在較大波動(dòng)，因此直接檢測(cè)匙孔整體熱輻射情況來(lái)識(shí)別熔透情況是不可靠的，必需找到熔透特征區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行局部信號(hào)提取，因此精確的空間定位提取技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可靠熔透檢測(cè)又一技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 視覺(jué)輔助定位調(diào)節(jié)方法

激光頭的紅光引導(dǎo)光是與熔透特征區(qū)域最為接近的定位調(diào)節(jié)光源，但是由于紅光輻射強(qiáng)度較弱傳感器幾乎沒(méi)有感應(yīng)，因此需要增設(shè)新的點(diǎn)光源輔助定位，如圖4(a)所示，環(huán)形燈光源透過(guò)金屬片的小孔后形成一個(gè)直徑為1.5 mm的點(diǎn)光源，將點(diǎn)光源移至與紅光位置完全重合后，通過(guò)特制顯微鏡頭組匯聚成放大的光學(xué)實(shí)像，如圖4(b)所示。同時(shí)，采用微距相機(jī)及三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輔助調(diào)節(jié)定位，可將傳感器感應(yīng)芯片完全置于實(shí)像的中心位置，微距相機(jī)實(shí)物圖及拍攝位置見圖5。

圖4 點(diǎn)光源及其投射實(shí)像(a)：點(diǎn)光源輔助定位；(b)：點(diǎn)光源投射實(shí)像

圖5 微距相機(jī)及拍攝位置(a)：微距相機(jī)；(b)：視覺(jué)輔助拍攝位置

2.2 熔透特征位置試驗(yàn)矯正方法

在視覺(jué)輔助定位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，還須通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)鄰區(qū)熔透特征測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步矯正傳感器的與熔透特征區(qū)域定位的精確度。具體為，首先在微距相機(jī)拍攝到圖像中，以傳感器感應(yīng)芯片位置為原點(diǎn)，以芯片直徑d為單元格進(jìn)行鄰區(qū)網(wǎng)格劃分，如圖6(a)所示。然后通過(guò)微距相機(jī)的實(shí)時(shí)畫面，調(diào)節(jié)三維微調(diào)機(jī)構(gòu)，將光感面分別移至不同單元格后進(jìn)行激光熔透試驗(yàn)，并記錄下坐標(biāo)值[見圖6(b)]和該位置下的熔透試驗(yàn)結(jié)果。每組熔透實(shí)驗(yàn)均以0.5 m·min-1的焊接速度對(duì)3 mm厚鈦合金試板施加2 900～3 500 W線性緩增功率的激光束，可獲得焊縫背面由未熔透—微熔透—適度熔透—過(guò)熔透連續(xù)變化的焊縫[6]。

圖6 鄰區(qū)網(wǎng)格劃分及定位坐標(biāo)(a)：鄰區(qū)網(wǎng)格劃分方法；(b)：網(wǎng)格定位坐標(biāo)

試驗(yàn)假設(shè)，當(dāng)高敏光感元件的光感面位于激光匙孔內(nèi)部，但沒(méi)有位于熔透特征區(qū)域時(shí)，傳感器所檢測(cè)的位置在匙孔內(nèi)壁上，隨著激光焊接功率的加大，匙孔內(nèi)壁受激輻射的熒光效應(yīng)會(huì)不斷加大，因此檢測(cè)信號(hào)會(huì)持續(xù)增強(qiáng)。而假設(shè)當(dāng)高敏光感元件的光感面位置與熔透特征區(qū)域完全一致時(shí)，光電傳感信號(hào)則會(huì)與焊縫熔透狀態(tài)相一致，起初會(huì)隨著激光功率的增加而增強(qiáng)，當(dāng)焊縫開始微熔透時(shí)，由于此時(shí)熔透程度較小且以閃動(dòng)方式出現(xiàn)，因此檢測(cè)信號(hào)的增強(qiáng)趨勢(shì)先是有所減小，然后隨著熔透程度的不斷加大，熔透特征逐漸增強(qiáng)，檢測(cè)信號(hào)的爬升趨勢(shì)會(huì)逐漸停止并轉(zhuǎn)呈下降趨勢(shì)，且隨著熔透狀態(tài)的增強(qiáng)，信號(hào)下降趨勢(shì)更加明顯。

以此為判別依據(jù)對(duì)圖6(b)中9個(gè)試驗(yàn)位置點(diǎn)的激光熔透試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。通過(guò)上述分析可知c(0, 0)和c(0, -1)位置的檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際熔透特征區(qū)信號(hào)變化趨勢(shì)更為接近，因此熔透特征區(qū)域坐標(biāo)最終設(shè)定為c(0, -0.5)。然后可借助微距相機(jī)進(jìn)行輔助觀測(cè)，并通過(guò)三維微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)芯片至熔透特征區(qū)域，調(diào)試定位精度應(yīng)小于0.05 mm。

圖7 試驗(yàn)矯正法測(cè)試結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)選取了3 mm厚鈦合金板在1 m·min-1焊接速度下進(jìn)行變功率激光熔透實(shí)驗(yàn)，激光功率設(shè)定為3 500—4 500—3 000 W以階躍式變化輸出，所獲得的焊縫在4 500 W時(shí)為“適度熔透”焊縫，在3 500和3 000 W時(shí)均為未熔透，圖8(a)為利用上述檢測(cè)系統(tǒng)將高敏光感元件的光感面完全置于熔透特征區(qū)域時(shí)的檢測(cè)結(jié)果，圖8(b)為光感面位于匙孔實(shí)像以內(nèi)，但偏離了熔透特征區(qū)域0.5 mm處的檢測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，圖8(a)對(duì)焊縫的熔透行為的感應(yīng)非常“敏感”，說(shuō)明激光焊接熔透輻射特征信號(hào)對(duì)激光焊接熔透行為具有較好的感知效用，而圖8(b)雖然檢測(cè)區(qū)域也在匙孔范圍以內(nèi)，但是信號(hào)的感應(yīng)度卻很差，二者存在較大差異說(shuō)明熔透輻射特征信號(hào)的提取位置同樣非常重要，因此，光感元件感應(yīng)芯片的有效定位、同軸顯微光路系統(tǒng)獲得匙孔內(nèi)部熔透特征區(qū)域成像情況、以及二者尺寸的匹配關(guān)系都是決定激光焊接熔透輻射特征信號(hào)有效提取的關(guān)鍵因素。同時(shí)，也充分驗(yàn)證了研制的同軸顯微光路系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于激光焊接熔透測(cè)試的有效性。

圖8 熔透驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)：熔透特征區(qū)域檢測(cè)結(jié)果；(b)：非熔透特征區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)采用光譜透視手段在紅外區(qū)對(duì)匙孔上方的干擾信號(hào)進(jìn)行窄帶譜段分離，是實(shí)現(xiàn)匙孔內(nèi)部受激輻射行為透視再現(xiàn)的有效途徑。

(2)熔透特征區(qū)域信號(hào)的提取方法及傳感器定位準(zhǔn)確度對(duì)熔透結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。

(3)采用光電傳感技術(shù)，并通過(guò)視覺(jué)輔助定位調(diào)節(jié)及熔透特征位置試驗(yàn)矯正后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)匙孔映像熔透特征數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)提取。

(4)基于多種光譜及光學(xué)處理技術(shù)復(fù)合應(yīng)用的高功率激光焊接同軸熔透特征信號(hào)的增效提取方法對(duì)有效識(shí)別信號(hào)增強(qiáng)效果顯著，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可靠熔透在線檢測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。