激光焊接时光感检测信号具有混合信息数量多、 时域及频域变化复杂、 信号随机波动剧烈等明显的混沌信号特征, 常规检测手段对激光焊接熔透特征信息难以有效分离。 在激光焊接熔透特征信号同轴增效提取技术基础上, 针对光谱透视成像中提取出的复杂混合信号的分布特征, 提出一种大功率固体激光焊熔透特征混沌信号解析方法。 具体通过统计方法提取混沌检测信号的各瞬态概率密度函数, 然后动态形成一系列具有趋势性特征的简化图形模式, 并根据图形的多项形貌特征与熔透行为建立复合关联识别。 文中重点介绍了基值、 离散度和畸变率3种特征参数的定义及数学模型, 这些特征参数不但可以对特征模型的重心位置、 离散情况和单向畸变情况进行准确描述, 而且通过实验方法还充分验证了不同特征参数与激光焊接熔透状态的关联特性。 如基值特征参数在焊缝熔透程度较大时具有明显的识别效果, 但是熔透程度较小时其波动幅值较大; 而离散度特征参数只对较小熔透状态测试敏感, 可以对基值进行有效补充, 但是对较大熔透状态的识别存在不足; 畸变率特征参数虽然在适度熔透附近时数值波动剧烈, 但是对于焊缝熔透程度较小或较大时都能通过畸变率数值关系对熔透程度进行较好关联识别, 有效弥补了基值和离散度的检测盲区。 因此, 基值、 离散度及畸变率特征参数间具有相互补充、 相互验证关系, 通过它们的特征曲线进行复合识别可以对激光焊接熔透状态实现较好的定性及定量检测。 实验结果表明, 混沌信号解析方法结合激光焊接熔透特征信号同轴增效提取技术后, 可实现光谱学、 光学、 统计学、 抽象化解析等的多维复合识别效果, 可有效增强大功率固体激光焊的熔透检测能力, 实现可靠熔透在线识别。

熔透检测是实现高功率激光焊接质量在线控制的重要环节, 但由于介观尺度下的低辐值熔透特征信号产生于激光匙孔底部被匙孔喷射物质和周围干扰信号完全掩盖, 熔透状态难以被直接获取, 常规检测多以间接测量为主。 将光谱透视技术、 红外显微成像技术、 光电传感技术及空间定位提取技术相结合, 提出一种激光焊接熔透特征信号同轴增效提取方法。 以高功率激光在匙孔内壁激发的荧光辐射源作为直接检测信号, 利用不同发光体的谱段特性在红外谱段有效分离并抑制激光焊接匙孔上方的等离子体、 金属蒸汽焰、 粒子团簇等强干扰信号, 使红外荧光信号得到有效增强, 实现光谱透视显像效果。 同时采用自行研制的激光焊接同轴显微光路系统, 利用红外显微成像原理提取到匙孔内壁受激辐射荧光的红外显微实像。 并以此为基础对高功率激光焊接熔透状态与匙孔内部影像特征进行关联研究, 发现与熔透状态直接相关的低辐射值特征现象及特征区域的存在。 通过视觉辅助定位调节和熔透特征位置试验矫正等寻位方式, 依次提高定位精度, 直至将传感器光电感应芯片高精度定位至荧光辐射实像中的熔透特征区域。 由此通过光谱透视—显微成像—介观寻位萃取的逐层光学分离方式, 实现了对匙孔熔透特征数据的精准提取和最大化增强。 试验结果表明, 基于多种光谱及光学处理技术复合应用的大功率固体激光焊熔透特征同轴增效提取方法对激光熔透特征信号增强效果显著, 可作为一种新型的高功率激光焊接熔透在线检测手段。

对激光电弧复合焊接的稳弧机理始终存在不同的观点。通过高速摄像机和光谱分析仪对比研究了激光与电弧复合前后电弧形态发生的变化。研究发现复合后电弧呈现一种全新的形态，具有两个独立的导电通道，这种现象被称为“双重导电机制”。这种机制对维持电弧稳定和保证焊缝成型良好具有非常重要的意义，正是激光电弧复合焊接高速焊接过程中稳弧的关键所在。研究还发现“双重导电机制”的建立过程存在时间顺序，辅助导电通道首先是从激光小孔周围建立起来，然后逐渐扩展到整个电弧区域。各种焊接参数对“双重导电机制”也存在明显的影响。

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景, 其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、 优化复合参数具有重要意义。 通过建立的中空探针光谱扫描系统, 采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪, 横向扫描焊接电弧等离子体, 采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱; 通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布, 对比激光复合前后等离子体辐射的变化; 并结合高速摄像照片, 探讨其耦合机理。 进一步选取特定谱线(FeⅠ), 采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算; 研究结果表明, YAG激光-MAG电弧复合后, 等离子能量更靠近熔池, 集中作用于焊接试板, 其能量作用区域展宽; 在电弧中心区造成电子温度上升。

利用余高-熔宽比表示焊缝表面铺展性并与焊缝余高一起作为参数来评价激光+电弧复合热源焊缝的表面成形,通过试验研究了Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接规范参数对复合热源焊缝表面成形的影响,并分析了激光对复合热源焊缝表面成形的影响.研究结果表明,在电弧功率变化过程中,激光对复合热源焊缝表面成形影响较小,但随着激光功率的增大,其对焊缝表面成形的影响也逐渐增大.焊接速度变化过程中,激光束能量的加入不仅改善焊缝表面成形还极大地提高了焊接速度,而在光丝间距和离焦量变化过程中,激光束对复合热源焊缝表面成形的影响很小.

同轴信息监测是一种直接对熔池和小孔进行监测的方法.本文介绍了激光深熔焊接过程中,同轴信号的采集原理和光路设计,利用同轴信息采集光路的激光焊接镜头采集了大功率Nd:YAG激光焊接过程中辐射的同轴光信号.对Q235钢激光深熔焊接过程中,从焊接熔池和等离子体中辐射的同轴光谱曲线是以连续谱为背景谱,当焊接参数的变化时,同轴辐射光的相对光强发生变化,而其与波长的对应关系没有变化.在激光深熔点焊过程中同时采集了同轴和水平辐射的光强信息,对比发现二者具有不同的峰值波长,并且在550nm～580nm的波段内,二者的相对强度对比明显.