熔深

小孔型等離子弧焊具有熱輸入能量集中，焊縫深寬比大，焊接效率高以及可以在中厚管、板材料焊接時實現一次焊透，單面焊雙面成形等特點。但小孔的不穩定使等離子弧焊不能獲得良好的焊縫成形，大大限制了等離子弧焊的廣泛應用。在等離子弧熔透控制、小孔控制方面，國內外已開展了大量的研究，先後提出了多種小孔行為的檢測方法，如尾焰電壓、電弧弧光強度、聲音信號、熔池圖像信號、多傳感信息融合等，取得了許多成果，但這些方法僅能提供小孔是否穿透的信息，而不能夠或不能很清晰、很準確地反映熔池熔深的情況，在實際應用中也存在一定的侷限性。因此，開發簡單、實用、可靠且低成本的等離子弧熔透控制傳感器，成為等離子弧熔透控制亟待解決的問題。

該研究首次利用鞘層電壓來獲知等離子云噴射角，獲知熔深熔透的情況，從而為等離子弧焊接質量控制提出了新的研究方向。

所謂等離子云，就是在等離子弧焊接過程中，由於等離子弧的能量高度集中、密度大、温度高、焰流速度大，在等離子弧與金屬作用區內，金屬蒸發極為劇烈，形成的高温金屬蒸氣和焊接保護氣體在電弧作用下發生離解，當焊接小孔未形成時，在焊接等離子弧的尾部(與焊接方向相反)出現一個自熔池射出的小弧，其形狀就像一個翅膀，因此，稱它為弧尾翼或等離子弧反翹或等離子云。在文獻[5]中，詳細介紹了小孔形成與閉合時電弧形態的變化。小孔從無到有，等離子云也完成一個週期的擺翹，即在小孔形成前，隨着焊接過程的進行，或者説，隨着焊接熔深的增大，等離子云與工件表面之間的夾角θ也逐漸增大。在小孔即將形成時，其夾角θ達到最大值，此後，等離子云迅速下襬，在工件背面尾焰出現，即小孔形成。也就是説，當焊接小孔形成後，從焊接熔池正面已經看不到電弧等離子云了，或者是等離子云上擺很小。因此，電弧等離子云的形態可以表徵焊接熔池小孔或者熔深的特徵信息。

試驗系統是由馬來西亞生產的TG300P電源，ThermalDynamics公司生產的PWM300專用等離子弧焊槍，PLC進行自動控制器，循環冷卻系統，探針檢測裝置，馬來西亞Agilent公司生產的記憶示波器S4622A等組成。焊接時焊槍固定不動，探針位置也固定，小車帶動工件移動。探針檢測裝置電容為0.01μF，電阻為9MΩ。焊接材料是45*低碳鋼，記憶示波器S4622A記錄鞘層電壓變化情況，工件接示波器正端，探針接示波器負端。通過檢測電路中的電壓信號就可以檢測到等離子云的特徵信息，從而得到等離子云噴射角的特徵行為信息，最終得到等離子云噴射角與熔池熔深的信息。

探針檢測實際上是利用了等離子體鞘層理論。所謂等離子體中的“鞘層”理論，就是當一個冷的物體浸入等離子體時，等離子體表現出與普通氣體截然不同的性質，若物體表面是不發射離子的或吸收離子的，則在物體進入等離子體後，物體表面形成一個帶負電位的薄層暗區，這個薄層被稱為“鞘層”，它把等離子體與物體分開。在這一區域，電子數和正離子數是不同的，明顯偏離電中性，其電位也是單調遞增的。採用探針檢測等離子云時，是將探針插入等離子體中，由於工件為參考“地”電位，因此，探針與工件之間可以檢測到一負電壓值，該電壓即是其“鞘層電壓”，這就是在無源探針檢測法中無需外加電源的原因。

無外加電源探針檢測等離子云的目的主要是為了對小孔等離子弧焊接的熔透熔深進行控制。在某個給定的焊接電流下，將探針從遠處逐漸向等離子云中心移動。探針檢測到的鞘層電壓隨着探針距等離子云中心距離的減小而不斷增大，當探針達到等離子云中心位置(C點)時，鞘層電壓最大，這時點C與電弧中心點O連線與工件之間的夾角θ就是給定焊接電流下的等離子云噴射角。測出點C的x方向上的長度和y方向上的長度，可求出相應的等離子云噴射角θ。為了進行焊接熔深及熔透控制，還需要知道此焊接電流所對應的熔深。這樣，才能找出等離子云噴射角與熔深的關係，從而實現熔透控制。把不同焊接電流下的焊縫切開分別測其熔深，可以知道等離子云噴射角與熔深的關係。通過實時檢測等離子云噴射角來獲得熔深的狀態，以便在焊接過程中獲取可以反映工件熔透狀態、表徵小孔特徵行為的信息，從而進行焊接熔深及熔透控制。使電流從55~85A之間變化，然後分別找出不同焊接電流、等離子云噴射角及熔深的對應關係。把不同焊接電流下的焊縫切開來經過處理，可以測出相應的焊縫熔深。在其他焊接參數不變的條件下，隨着焊接電流的增大，焊接熔深增加，為了找出不同電流的熔深與等離子云噴射角的對應關係，需測出不同電流的熔深及相應的等離子云噴射角。使電流從55~85A之間變化，然後分別找出不同焊接電流、等離子云噴射角及熔深的對應關係。把不同焊接電流下的焊縫切開來經過處理，可以測出相應的焊縫熔深。在其他焊接參數不變的條件下，隨着焊接電流的增大，焊接熔深增加，為了找出不同電流的熔深與等離子云噴射角的對應關係，需測出不同電流的熔深及相應的等離子云噴射角。不同焊接電流下的熔深、等離子云噴射角及相應檢測到的鞘層電壓，隨着焊接電流的增大，熔深增大，對應的等離子云噴射角也增大，當焊接電流為85A，小孔即將形成時，或者説工件即將熔透時，噴射角達到最大。用座標的形式可以更明顯地顯示出熔深與等離子云噴射角的關係，該關係曲線為等離子弧焊接的熔深熔透的控制奠定了基礎。

實驗證明，等離子云噴射角在小孔熔透控制中有着重要的作用，它是表徵小孔熔透特徵信息的重要參數，通過檢測等離子云噴射角的大小可以判斷熔深情況。在小孔等離子弧焊接中，可通過檢測等離子云噴射角的變化來獲取熔深的信息，再通過調節焊接電流來實現熔透控制。

激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個非常複雜的物理化學過程，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響並決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點尺寸等焊接規範參數，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來表徵激光光斑及焦點尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。

在電弧焊中，人們常採用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m-1)來描述和評價焊接過程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規範參數對焊縫熔深的影響，但是這兩個參數都沒有考慮電弧作用面積對焊縫熔深的影響。

如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價激光焊接過程中焊接規範參數對焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點尺寸對焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價激光焊接過程中焊接規範參數對焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。

在激光焊接的研究中，還沒有一個參數能夠綜合體現焊接規範參數對焊接過程的影響。為了綜合評價激光焊接過程中焊接規範參數對焊縫熔深的影響以及區別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，並研究了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響。

為了能夠綜合評價激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點尺寸等焊接規範參數對焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，並將焊接體能量qV的定義為：

（1）

式中：Q——激光功率；

V——焊接速度。

S——為輻照在小孔內的激光束光斑面積，實驗用的Nd:YAG激光器經焦距為200mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關係的擬合關係式為[1]：

式中：?z——離焦量；

R0——激光束焦點半徑。

因此，焊接體能量又可以表示為：

從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時間內的激光功率密度或單位面積內的焊接線能量，其單位為J·m-3，不同於電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。

從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點半徑計算得出。焊接體能量隨激光功率、焊接速度和離焦量等焊接規範參數的變化。從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關係，與焊接速度成反比關係，與焦點尺寸成平方關係，而與離焦量成指數關係。焊接體能量的變化能夠體現激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規範參數的變化。

2.1 試驗條件

實驗用的激光器為額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1.06μm的連續波激光，激光束由內徑為0.6mm的光纖傳輸，經焦距為200mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點半徑為0.3mm，工件為250×100×1.8mm的Q235鋼板，同軸保護氣為Ar氣。

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)離焦量

本文的主要目的在於研究焊接體能量對焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實驗採用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，並且只測量工件未焊透時的焊縫熔深。

通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實現了焊接體能量的變化。實驗過程中的焊接規範參數變化如表1所示。

2.2 焊接體能量對焊縫熔深的影響

在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表徵了激光束對小孔輻照時間的長短，而Q/S或則表明了輻照在孔內的激光功率密度的大小。因此，輻照在小孔孔內的焊接體能量從激光輻照時間和功率密度兩方面影響、決定着小孔深度和焊縫熔深。由於孔底液態金屬層的厚度很小[1-3]，其對焊縫熔深的影響很小，因而在激光深熔焊接研究中，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來處理。

表1焊接規範參數的變化

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)離焦量

焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨着激光功率增大而增大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時間內將有更多的激光束能量輻照到小孔底部，激光束對孔底的輻照加熱作用增強，孔底蒸發的材料越多，焊縫熔深也就越深。

焊接體能量與焊接速度呈反比關係，隨着焊接速度的加快，激光束對小孔的輻照時間越短，輻照在小孔內的焊接體能量就越小，則孔底蒸發的材料就越少，焊縫熔深就越淺。

焊接體能量與離焦量呈指數關係，且在理論上關於?z=0mm對稱（在實際焊接過程中，由於激光束焦點位置的漂移，使焊接體能量並不關於?z=0mm對稱，而是向入焦方向偏移了一定距離，本文中試驗中激光束焦點位置的偏移為入焦1mm）。在離焦量變化過程中，隨着激光束焦點到工件上表面距離的減小，輻照在小孔內的激光光斑就越小，激光功率密度就越大，焊接體能量也就越大，

對孔底材料的轟擊也就越強，孔底蒸發的材料也就越多，焊縫熔深也就越深。

從上面的分析可知，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大，則單位時間、單位面積內工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發的材料也就越多，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深。

從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量綜合了激光功率、焊接速度及離焦量等焊接規範參數對焊縫熔深的影響。

此外，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出，焊接體能量與激光束焦點半徑成平方關係，能夠體現激光束焦點大小對焊縫熔深的影響。激光束焦點尺寸越小，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深。或者説，在一定的焊接體能量下，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點越小，則所需要的激光功率也就越小。因此，可採用強聚焦的方法減小激光束焦點尺寸，從而達到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的，這一點已被國外有關研究成果所證明[4]。

（1）定義激光焊接體能量，其由激光功率、焊接速度及離焦量計算得到。

（2）焊接體能量與激光功率呈正比、焊接速度呈反比、離焦量呈指數關係，激光束焦點尺寸越小，焊接體能量越大。

（3）焊縫熔深隨着焊接體能量的增大而近似呈線性增大。焊接體能量能夠綜合體現焊接規範參數對焊縫熔深的影響。

激光焊接過程的監測主要是基於聲、光、電、熱等信號監測焊接過程中氣孔等缺陷的形成，但對未焊透時焊縫的成型狀況特別是焊縫熔深則缺乏有效的監測，這主要是由於很難在熔深和監測信號之間建立一個穩定、直接的映射關係。在過去對熔深的監測中多采用“黑箱”模型——將監測信號和實驗所測的焊縫熔深直接擬合得到監測信號與熔深之間的映射關係或者採用人工神經網絡來建立二者之間的對應關係[1,2]。

同軸視覺傳感是一種先進的激光焊接過程監測方法，可以實現焊接過程中的可視化、直接監測。但是由於激光致等離子體和金屬蒸氣對熔池和小孔的覆蓋，使得在對激光深熔焊接過程同軸視覺傳感監測過程中觀測不到小孔的底部，並且小孔同軸圖像灰度值的變化也不能表徵小孔深度的變化[3,4]。因此不能利用圖像三維形狀恢復技術和小孔同軸圖像灰度值與焊縫熔深的標定曲線來實現激光深熔焊接過程中焊縫熔深的監測。

儘管小孔的同軸視覺圖像不能反映出小孔底部的三維形狀和深度信息，但仍然能夠反映出小孔底部的徑向形狀和大小[3,4]。因此可以通過圖像處理提取出小孔的徑向尺寸。本文在提取出小孔徑向尺寸的基礎上基於Nd:YAG激光深熔焊接過程中小孔前壁材料蒸發滿足的能量條件來求解小孔的深度，並基於所提取出的小孔的深度實現了激光深熔焊接過程中焊縫熔深的直接監測。

本文中焊縫熔深監測是基於圖像處理結果和焊接過程中小孔前壁滿足的能量平衡進行的，不依賴於等離子體的輻射光強，是一種直接監測的方法。

實驗用的激光器是額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1.06μm的連續波激光，激光束由內徑為0.6mm的光纖傳輸，經焦距為200mm的透鏡聚焦後的激光束焦點直徑為0.6mm；工件為250×100×1.8mm的Q235鋼板，同軸保護氣為Ar氣。

小孔同軸視覺圖像的採集採用自主開發的Nd:YAG激光焊接過程同軸視覺傳感系統。

對所採集的小孔和熔池的同軸視覺圖像，經平滑濾波除噪和同態濾波增強的預處理後，基於閾值分割技術提取出小孔和熔池的邊緣，利用Hough變換擬合得到小孔內外邊緣的曲線方程，從擬合結果中得到小孔的徑向尺寸。

在給定焊接規範下，當焊接過程達到穩態時，小孔也達到了動態平衡狀態：小孔深度和焊縫熔深不再變化，接受激光束輻照的小孔前壁材料不斷熔化和氣化，孔內脱離激光輻照的金屬等離子體不斷複合成金屬蒸氣並和孔內未電離的且不在激光輻照區域內的金屬蒸氣一起液化形成小孔的後部。這樣隨着激光束在工件表面上的連續掃描，小孔前壁的材料不斷氣化：

(a)小孔的同軸圖像

(b)小孔邊緣的Hough變換擬合結果

焊接過程不斷地進行。

小孔前壁吸收的激光能量除了使材料達到氣化狀態並使金屬蒸氣具有一定的動能外，還有一部分能量通過熱傳導的方式傳遞到母材中去。因此小孔前壁不斷氣化滿足的能量條件為：

EA=EV+EK+EL（1）

式中：EA——被小孔前壁吸收的激光束能量；

EV——小孔前壁氣化所需要的能量；

EK——蒸發後金屬蒸氣的動能，為能量損失；

EL——通過熱傳導損失的能量。

由於金屬蒸氣的動能EK與材料蒸發所需要的能量EV相比很小，可以忽略不計[5]。由小孔經熱傳導傳遞到液態層和母材中能量EL和材料蒸發所需要的能量EV之間近似有如下關係[4]：

（2）

式中：ε——為熱傳導造成的能量損失與材料蒸發所需的能量之比；

I——單位質量的材料蒸發所需要的能量；

——材料的比熱；

TV——材料的沸點。

因此，小孔前壁的能量平衡條件可簡化為：

EA=(1+ε)EV（3）

在激光深熔焊接過程中，輻照在小孔前壁的激光功率密度是小孔前壁材料蒸發的決定性因素；考慮到計算小孔前壁的體積及其消耗的能量需要較多的假設條件，將會產生很大誤差。因此，以單位面積的材料蒸發所需要的能量密度為基礎建立小孔前壁材料氣化的能量平衡方程。

用功率密度表示的小孔前壁氣化過程中滿足的能量平衡方程為

（4）

式中：A——工件材料對Nd:YAG激光的吸收率；

Q——激光功率；

R——激光光斑半徑；

ρ——材料密度；

Vd——小孔前壁加深的平均速度。

在方程（4）中，只有小孔前壁平均加深速度是與小孔深度緊密相關的未知量。

包括3.1小孔平均加深速度的求解3.2小孔深度求解方程的建立和3.3小孔深度的求解。

3.1 小孔平均加深速度的求解

小孔前壁的加深速度是由輻照在其上方的激光焊接體能量所決定的，其瞬時下降速度受各種條件的限制很難將其求出。因此，根據小孔的徑向尺寸來求解小孔前壁的平均加深速度。

橢球面，短軸直徑為提取出的小孔內邊緣的寬，長軸直徑為提取出的小孔內邊緣的長，且小孔最深處的水平位置與小孔內邊緣中心的水平位置重合。在τd時間內，小孔前壁的材料從工件表面加深至小孔的最深處，其深度方向上的位移為小孔深度hk，而激光束在焊接方向上對工件的掃描距離為Ld，則有：

（5）

式中：hK——小孔深度；

Lo——提取出的小孔外邊緣的長度；

?doi——提取出小孔內外邊緣之間中心距；

V——為焊接速度。

則從（5）式可得小孔前壁的平均加深速度為：（6）

3.2 小孔深度求解方程的建立

將（6）式代入到（4）式整理可得小孔深度為

（7）

將激光光斑半徑R隨離焦量?z變化的擬合關係式R=11.56?(?z)2+R0（R0為激光束焦點半徑）代入上式[4]，並考慮焊接過程中激光束焦點位置的偏移?h，可得到小孔深度的求解方程：

（8）

式中：?f——焊接過程中激光束焦點位置的偏移量。

式（8）即為在激光功率為Q，焊接速度為V，離焦量為?z條件下小孔深度的求解方程。從（8）式中可以看出，小孔深度由激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規範參數及材料的熱物理參數決定。此外，激光束焦點大小對小孔的深度也有一定的影響。

在激光深熔焊接過程中，小孔處在液態金屬的包圍中，小孔的前壁是具有一定厚度的液態金屬層。因此，本文認為小孔前壁下降是從液態金屬表面開始的。因此，（8）式中材料的熱物理參數分別取ρ為材料液態時的密度，I為單位質量的材料從液態到氣態的氣化過程中所需要的能量，取材料的比熱在材料熔點TM到沸點TV範圍內的平均值為，則單位質量的液態材料氣化所需要的能量I為：

（9）

式中：LV——為材料的汽化熱；

TM——為材料的熔點。

3.3 小孔深度的求解

小孔前壁為一傾斜的斜面，因此在小孔深度的求解過程中，激光功率密度不能按照輻照在工件表面的激光功率密度處理。鑑於小孔前壁加深速度為一平均值，因此小孔深度求解方程中的激光功率密度按小孔半深處的激光功率密度作為輻照在小孔前壁的平均激光功率密度處理。將小孔深度求解方程修正為：

(10)

這樣小孔深度求解方程變成一個5階非線性方程，其根不能用根式或解析式表示[6]，方程（10）需要用數值法求解。

對方程（10）的結構分析可以看出，方程（10）的右邊可分為三項：第一項為係數項；最後一項與由同軸視覺傳感監測提取出的小孔的二維徑向特徵參數和材料的熱物理參數有關；而第二項是與焊接規範參數有關的項，物理意義為單位面積上的焊接線能量（或單位時間內激光功率密度），其被定義為焊接體能量。

焊接體能量qV的定義為[4]：

（11）

則方程（10）又可表示為

（12）

從（12）式中可以看出，在激光深熔焊接過程中，小孔深度的變化將會引起輻照在小孔前壁的焊接體能量的變化；反之，焊接體能量的變化又將導致小孔深度的變化，二者相互影響。因此，以（12）式為基礎通過迭代可求得小孔深度。

包括4.1焊縫熔深的提取4.2焊縫熔深監測值的驗證和4.3工件焊透的判斷。

4.1 焊縫熔深的提取

由於孔底液態金屬層的厚度很薄[4,5]，對焊縫熔深的影響不大，因此本文以小孔深度作為焊縫熔深來處理。則分別測量不同焊接規範參數下的焊縫熔深來驗證由同軸視覺傳感監測到的焊縫熔深。

4.2 焊縫熔深監測值的驗證

(a)焊縫熔深監測值和實驗值的比較

(b)監測誤差

(a)焊縫熔深監測值和實驗值的比較

(b)監測誤差

(a)焊縫熔深監測值和實驗值的比較

(b)監測誤差

(a)焊縫熔深監測值和實驗值的比較

(b)監測誤差

在工件未焊透時，焊縫熔深的監測值與實驗值具有較好的一致性，其監測誤差最大不超過12%，最大誤差為11.76%，而且是在不太常用的大離焦量下所監測到的；而在常用的小離焦量下，焊接規範參數的變化過程中未焊透時焊縫熔深的監測誤差都不超過10%。較小的監測誤差説明，工件未焊透時對焊縫熔深的監測是比較準確的。

在工件焊透時，焊縫熔深的監測值明顯大於工件厚度，具有很大的監測誤差。這主要是由於在工件焊透時有一部分激光束能量透過孔底液態金屬薄層而損耗在工件之外，但在熔深監測過程中並沒有考慮這部分能量損耗而造成的誤差。另外，隨着焊接體能量的增大，透過孔底液態金屬層損耗的激光能量也就越多，造成的監測誤差也就越大。

4.3 工件焊透的判斷

由於工件焊透後焊縫熔深的監測值明顯大於工件厚度，因此可以直接利用焊縫熔深的監測值和工件厚度比較來判斷工件是否被焊透。

在實驗過程中發現，當工件剛剛焊透時的焊縫背面成形並不是連續的，而是斷斷續續的，而這些不連續的焊點在對接的情況下將會成為裂紋起始點和應力

集中點而成為焊接缺陷。因此本文將這情況列為未焊透的狀態。為了避免在監測過程中對這種情況出現誤判，本文在焊透的判斷過程中預設一定的判斷裕量。本文根據實驗情況取工件厚度的8%，即焊縫熔深的監測值不小於工件厚度的1.08倍時，認為工件是完全焊透的，否則認為工件未焊透。

實驗結果證明，在工件焊透狀況判斷過程中考慮一定的判斷裕量提高了判斷的準確性和可靠性。

在由同軸視覺傳感監測提取出的小孔徑向尺寸和小孔前壁材料氣化滿足的能量平衡的基礎上推導建立了小孔深度提取的迭代方程。基於在同軸視覺傳感監測中所提取出的小孔深度實現了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊縫熔深的直接監測和工件焊透的判斷。

焊縫熔深監測值和實驗測量值的比較表明，工件未焊透時，焊縫熔深的監測值和實驗測量值具有較好的一致性，其監測誤差一般不超過12%；而工件完全焊透後，焊縫熔深的監測值明顯大於工件厚度。

在工件是否焊透的判斷中，通過預設工件厚度的8%為判斷裕量提高判斷結果的可靠性和準確性，避免在工件剛剛焊透對焊縫背面不連續成形出現誤判。