奥氏体不锈钢光纤激光同轴保护焊接的实时监测

采用光纤激光同轴保护焊接奥氏体不锈钢,利用激光焊接监测系统同步采集焊接过程中的光信号数据,并结合羽辉的形貌研究不同焊接条件对焊缝成形及光信号强度的影响规律。研究结果表明,光信号强度随着激光功率的增加逐渐增大。当离焦量从-6mm变化到6mm时,光信号强度先减小后增大。光信号变化可反映焊缝熔深的变化,可用于检测搭接间隙和焊缝位置变化引起的焊缝缺陷。通过P信号数据可判断焊接质量异常区的准确位置,焊接过程中光信号的强度同羽辉体积正相关。

奥氏体不锈钢具有韧性高、可塑性强、耐腐蚀性好、价格低廉等优点,在多个领域得到广泛的应用。然而,奥氏体不锈钢是一种导热系数小、线膨胀系数大的材料,采用传统的焊接方法容易引起变形。光纤激光同轴焊接技术具有能量密度高、焊接热输入小、能量控制精确、运行成本低、加工柔性高等优点,有望实现航天发动机主动冷却结构、轨道交通工具等关键构件的精密焊接制造。

激光焊接是一个远离平衡态的物理冶金过程,该过程中产生的光信号变化与焊接质量密切相关。在光纤激光焊接过程中,主要的光辐射包括紫外及可见光辐射和红外热辐射。利用光电传感器同轴检测焊接过程中金属蒸气、熔池等产生的光信号变化,可实现激光焊接过程的同步检测。近年来,国内外学者在光纤焊接过程中利用同轴光电传感器检测光信号强度,指出利用光信号强度变化可判断焊接熔透状态以及塌陷、弧坑、焊缝氧化、飞溅等缺陷;焊接质量和焊缝熔深与光信号存在对应关系,且焊接质量异常位置对应的羽辉行为发生变化。Colombo等通过检测等离子体信号、激光反射信号和温度信号来区分不同的搭接间隙,并判断焊接质量。复杂内流道构件结构复杂,其冷却通道呈现密集、三维、多变的特点,对加工精度要求很高,而采用光纤激光同轴保护焊接过程同步检测及评估的研究鲜有报道。本文利用激光焊接监测(LWM)系统,对不同焊接条件下焊接过程产生的红外光信号(T)、紫外及可见光信号(P)实施检测。通过光信号和焊缝宏观形貌的比对分析,获得了各光信号变化规律,及焊接质量与影响因素的映射关系。采用高速摄像机拍摄羽辉体积,对光信号变化的机理进行了分析。通过对光信号数据进行设定时间步长内的均值计算分析,可判断出焊接状态异常区域的准确位置。

2同轴光信号检测系统和试验方法

同轴光信号检测系统试验装置如图1所示,激光器采用美国IPG公司的YLS-6000光纤激光器,最大输出功率为6kW,波长为1.07μm,光纤芯径为200μm,准直镜焦距为150mm,聚焦镜焦距为200mm,光斑直径为0.26mm。采用LWM作为光信号采集系统,采样频率设置为1kHz。内径为6mm的同轴喷嘴安装在德国Precitec公司的WeldingheadYW50焊接头末端,喷嘴末端距离不锈钢管表面为4mm。利用YW50焊接头自身配置的传感器,可以检测波长为1100~1800nm的T光信号和0~600nm的P光信号。采用彩色高速摄像机观测焊接过程羽辉行为,拍摄频率为2000frame/s。焊接过程中的光信号经透镜进入分光镜后,分别传输到P和T光电传感器中,经过处理单元变换后的信号输入到计算机,生成光信号测试数据。焊接板材为304奥氏体不锈钢平板。激光功率为1.6kW,保护气体氩气的流量为15L/min,焊接速度为3m/min(以下简称工艺参数1)。采用平板扫描焊的方式研究工艺参数对光信号的影响规律,试样尺寸为100mm×50mm×5mm;采用搭接焊试验研究搭接间隙和焊缝位置对光信号的影响规律,上板尺寸为100mm×50mm×1mm,下板尺寸为100mm×50mm×5mm。

为了解释同轴保护焊接时,不同离焦量和间隙条件下光信号变化与羽辉形貌的关系,同时采用旁轴保护焊接进行验证试验。由于同轴焊接喷嘴末端距离不锈钢管表面仅为4mm,远小于羽辉高度,为观测完整羽辉形貌,选用旁轴喷嘴进行验证试验,并通过对比不同保护焊接中光信号强度随离焦量的变化关系来验证该试验的可行性,试验参数均采用工艺参数1。设置局部间隙如图2所示,其中d为搭接间隙。

试件表面在焊前用丙酮清理,焊后试样经抛光腐蚀后放在体式显微镜下观察焊缝微观形貌。运用AdobePhotoshop软件计算羽辉面积,运用Matlab软件对信号进行除噪处理及均值计算。

3试验结果和分析

3.1工艺参数对光信号及焊缝成形的影响规律

同轴保护焊接的熔深及光信号随工艺参数的变化规律如图3所示。从图3(a)中可以看出,焊缝熔深、P信号和T信号强度的归一化数值均随激光功率的增加而增大。由图3(b)可知,当离焦量从-6mm变化至6mm时,焊缝熔深先增大后减小;P信号和T信号强度的归一化数值先减小后增大。

P信号的变化主要源自金属蒸气辐射,而T信号的改变主要源自金属蒸气和熔池的热辐射。激光功率的增加会提高不锈钢管表面的激光功率密度,导致小孔内金属蒸发量和金属蒸气压力增大,进而增大焊接熔深。蒸发量和蒸气压力增大导致喷出小孔的金属蒸气增多,从而使熔池和小孔上方金属羽辉体积增大。在较小的激光功率范围内,羽辉的温度几乎不变。羽辉体积的增加使得羽辉辐射的光信号强度增大,因此,焊缝熔深、P信号和T信号归一化强度均随激光功率的增加而增大。

图3(b)中光信号强度归一化数值随离焦量的变化呈“V”字形变化。在旁轴保护焊接中,利用LWM采集光信号,采用高速摄像机对羽辉形态进行观测,结果如图4所示。离焦量f从-6mm变化到6mm时,羽辉面积(因为羽辉体积与面积正相关,本文通过计算羽辉面积间接表示羽辉体积)和光信号强度归一化数值先减小后增大,在离焦量为0mm时达到极小值。结合图3(b)和图4可知,同轴保护焊接和旁轴保护焊接中P信号和T信号强度随离焦量的变化规律几乎是一致的。这表明同轴保护和旁轴保护中,羽辉随离焦量的变化规律也是一致的。在负离焦量条件下,激光束聚焦于不锈钢管内部,使不锈钢管内部的激光功率密度高于不锈钢管表面的,产生更强的气化作用,从而导致孔内的蒸汽压力和熔深增大;当负离焦量过大时,熔深逐渐减小。在正离焦量条件下,到达不锈钢管表面的激光光斑变大、激光功率密度减小,从而导致孔内的蒸汽压力和熔深减小。然而,激光光斑变大又使小孔开口处的直径增加,致使孔内的金属蒸气受到的孔壁阻力减小,导致孔内喷出的金属蒸气增多,即羽辉体积增大。在较小的离焦量范围内,羽辉的温度几乎不变。因此,随着羽辉体积的增加,羽辉辐射出的光信号更强,导致P信号和T信号强度随着离焦量的增大而增大。

3.2搭接间隙对光信号和焊缝成形的影响规律

复杂内流道构件主要为搭接焊缝,搭接间隙过大会影响焊接质量。搭接间隙对光信号的影响规律如图5所示,对焊缝成形的影响如图6所示。为消除噪声对光信号的影响,采用Savitzky-Golay算法处理光信号数据。

由图5可知,异常焊缝的光信号强度均值都低于正常值;未熔合区的非塌陷焊缝对应的光信号强度均值明显高于弧坑及塌陷焊缝位置的。当搭接间隙d≤0.1mm时,P信号和T信号无明显波动,焊缝成形良好,将此条件下光信号强度均值作为正常值,如图6(a)、(b)所示。当d=0.2mm时,焊缝表面局部出现塌陷,塌陷区内的焊缝宏观形貌由钉头形变为花瓶形,如图6(c)所示,此时P信号和T信号强度均值分别为正常值的32%和34%。当d=0.3mm时,焊缝表面完全塌陷,焊缝宏观形貌和光信号的变化与d=0.2mm时的基本一致,如图6(d)所示。当d=0.4mm时,焊缝表面弧坑及塌陷焊缝与非塌陷焊缝相互交错,三种典型的焊缝横截面如图6(e)所示。

利用高速摄像机观察羽辉形貌,并分析焊缝塌陷时光信号强度均值减小的原因。间隙条件下旁轴保护焊接光信号强度均值、羽辉形貌和焊缝表面形貌如图7所示。由图7可知,Ⅰ段和Ⅲ段内焊缝表面成形良好,光信号强度稳定,羽辉形貌基本一致;Ⅱ段内焊缝表面塌陷,羽辉面积和光信号强度均明显减小。在激光焊接过程中,小孔周围被低强度的熔融金属包围,间隙的存在致使孔内的高压金属蒸汽容易从间隙处外漏,导致小孔内部蒸汽压力减小,小孔内部喷出的金属蒸气减少,即羽辉体积减小。因此,焊缝塌陷处的T信号和P信号强度明显减小。

3.3焊缝位置对光信号及焊缝成形的影响规律

在复杂内流道构件激光焊接过程中,焊接变形及轨迹误差会导致焊缝位置偏离筋中心,影响焊接质量。

不同焊接位置对光信号强度及焊缝质量的影响如图8、图9所示,其中L为焊缝与筋(筋宽为2mm)中心的距离。从图8可以看出,当L≤0.6mm时,P信号和T信号强度相近;当L=0.8mm和L=1mm时,P信号和T信号强度逐步降低。由图9可知,当L≤0.6mm时焊缝成形良好,两种光信号的强度无明显变化;当L=0.8mm时,焊缝表面虽无明显变化,但是焊缝横截面出现异常,在搭接面下部,焊缝向流道一侧凸起;当L=1mm时,焊缝表面塌陷,未形成完整搭接焊缝,P信号和T信号强度降低到正常值的32%和36%

4结论

在光纤激光同轴焊接过程中,利用LWM采集焊接过程中的光信号,并分析光信号强度变化与焊接缺陷及羽辉形貌的对应关系,得到以下结论:

1)光信号强度归一化数值同焊接功率正相关,其变化能反映出焊缝熔深的改变,利用该变化可检测焊接位置和搭接间隙引起的焊接缺陷。

2)离焦量和搭接间隙对羽辉体积存在显著的影响,且P信号和T信号强度均值同羽辉体积正相关。

3)通过对P信号强度均值的计算,能够准确判断出焊缝塌陷的具体位置,可作为光纤激光焊接质量的评估方法。

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