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  • 奧氏體不銹鋼光纖激光同軸保護焊接的實時監測

    采用光纖激光同軸保護焊接奧氏體不銹鋼,利用激光焊接監測系統同步采集焊接過程中的光信號數據,并結合羽輝的形貌研究不同焊接條件對焊縫成形及光信號強度的影響規律。研究結果表明,光信號強度隨著激光功率的增加逐漸增大。當離焦量從-6mm變化到6mm時,光信號強度先減小后增大。光信號變化可反映焊縫熔深的變化,可用于檢測搭接間隙和焊縫位置變化引起的焊縫缺陷。通過P信號數據可判斷焊接質量異常區的準確位置,焊接過程中光信號的強度同羽輝體積正相關。

    奧氏體不銹鋼具有韌性高、可塑性強、耐腐蝕性好、價格低廉等優點,在多個領域得到廣泛的應用。然而,奧氏體不銹鋼是一種導熱系數小、線膨脹系數大的材料,采用傳統的焊接方法容易引起變形。光纖激光同軸焊接技術具有能量密度高、焊接熱輸入小、能量控制精確、運行成本低、加工柔性高等優點,有望實現航天發動機主動冷卻結構、軌道交通工具等關鍵構件的精密焊接制造。

    激光焊接是一個遠離平衡態的物理冶金過程,該過程中產生的光信號變化與焊接質量密切相關。在光纖激光焊接過程中,主要的光輻射包括紫外及可見光輻射和紅外熱輻射。利用光電傳感器同軸檢測焊接過程中金屬蒸氣、熔池等產生的光信號變化,可實現激光焊接過程的同步檢測。近年來,國內外學者在光纖焊接過程中利用同軸光電傳感器檢測光信號強度,指出利用光信號強度變化可判斷焊接熔透狀態以及塌陷、弧坑、焊縫氧化、飛濺等缺陷;焊接質量和焊縫熔深與光信號存在對應關系,且焊接質量異常位置對應的羽輝行為發生變化。Colombo等通過檢測等離子體信號、激光反射信號和溫度信號來區分不同的搭接間隙,并判斷焊接質量。復雜內流道構件結構復雜,其冷卻通道呈現密集、三維、多變的特點,對加工精度要求很高,而采用光纖激光同軸保護焊接過程同步檢測及評估的研究鮮有報道。本文利用激光焊接監測(LWM)系統,對不同焊接條件下焊接過程產生的紅外光信號(T)、紫外及可見光信號(P)實施檢測。通過光信號和焊縫宏觀形貌的比對分析,獲得了各光信號變化規律,及焊接質量與影響因素的映射關系。采用高速攝像機拍攝羽輝體積,對光信號變化的機理進行了分析。通過對光信號數據進行設定時間步長內的均值計算分析,可判斷出焊接狀態異常區域的準確位置。

    2同軸光信號檢測系統和試驗方法

    同軸光信號檢測系統試驗裝置如圖1所示,激光器采用美國IPG公司的YLS-6000光纖激光器,最大輸出功率為6kW,波長為1.07μm,光纖芯徑為200μm,準直鏡焦距為150mm,聚焦鏡焦距為200mm,光斑直徑為0.26mm。采用LWM作為光信號采集系統,采樣頻率設置為1kHz。內徑為6mm的同軸噴嘴安裝在德國Precitec公司的WeldingheadYW50焊接頭末端,噴嘴末端距離不銹鋼管表面為4mm。利用YW50焊接頭自身配置的傳感器,可以檢測波長為1100~1800nm的T光信號和0~600nm的P光信號。采用彩色高速攝像機觀測焊接過程羽輝行為,拍攝頻率為2000frame/s。焊接過程中的光信號經透鏡進入分光鏡后,分別傳輸到P和T光電傳感器中,經過處理單元變換后的信號輸入到計算機,生成光信號測試數據。焊接板材為304奧氏體不銹鋼平板。激光功率為1.6kW,保護氣體氬氣的流量為15L/min,焊接速度為3m/min(以下簡稱工藝參數1)。采用平板掃描焊的方式研究工藝參數對光信號的影響規律,試樣尺寸為100mm×50mm×5mm;采用搭接焊試驗研究搭接間隙和焊縫位置對光信號的影響規律,上板尺寸為100mm×50mm×1mm,下板尺寸為100mm×50mm×5mm。

    為了解釋同軸保護焊接時,不同離焦量和間隙條件下光信號變化與羽輝形貌的關系,同時采用旁軸保護焊接進行驗證試驗。由于同軸焊接噴嘴末端距離不銹鋼管表面僅為4mm,遠小于羽輝高度,為觀測完整羽輝形貌,選用旁軸噴嘴進行驗證試驗,并通過對比不同保護焊接中光信號強度隨離焦量的變化關系來驗證該試驗的可行性,試驗參數均采用工藝參數1。設置局部間隙如圖2所示,其中d為搭接間隙。

    試件表面在焊前用丙酮清理,焊后試樣經拋光腐蝕后放在體式顯微鏡下觀察焊縫微觀形貌。運用AdobePhotoshop軟件計算羽輝面積,運用Matlab軟件對信號進行除噪處理及均值計算。

    3試驗結果和分析

    3.1工藝參數對光信號及焊縫成形的影響規律

    同軸保護焊接的熔深及光信號隨工藝參數的變化規律如圖3所示。從圖3(a)中可以看出,焊縫熔深、P信號和T信號強度的歸一化數值均隨激光功率的增加而增大。由圖3(b)可知,當離焦量從-6mm變化至6mm時,焊縫熔深先增大后減;P信號和T信號強度的歸一化數值先減小后增大。

    P信號的變化主要源自金屬蒸氣輻射,而T信號的改變主要源自金屬蒸氣和熔池的熱輻射。激光功率的增加會提高不銹鋼管表面的激光功率密度,導致小孔內金屬蒸發量和金屬蒸氣壓力增大,進而增大焊接熔深。蒸發量和蒸氣壓力增大導致噴出小孔的金屬蒸氣增多,從而使熔池和小孔上方金屬羽輝體積增大。在較小的激光功率范圍內,羽輝的溫度幾乎不變。羽輝體積的增加使得羽輝輻射的光信號強度增大,因此,焊縫熔深、P信號和T信號歸一化強度均隨激光功率的增加而增大。

    圖3(b)中光信號強度歸一化數值隨離焦量的變化呈“V”字形變化。在旁軸保護焊接中,利用LWM采集光信號,采用高速攝像機對羽輝形態進行觀測,結果如圖4所示。離焦量f從-6mm變化到6mm時,羽輝面積(因為羽輝體積與面積正相關,本文通過計算羽輝面積間接表示羽輝體積)和光信號強度歸一化數值先減小后增大,在離焦量為0mm時達到極小值。結合圖3(b)和圖4可知,同軸保護焊接和旁軸保護焊接中P信號和T信號強度隨離焦量的變化規律幾乎是一致的。這表明同軸保護和旁軸保護中,羽輝隨離焦量的變化規律也是一致的。在負離焦量條件下,激光束聚焦于不銹鋼管內部,使不銹鋼管內部的激光功率密度高于不銹鋼管表面的,產生更強的氣化作用,從而導致孔內的蒸汽壓力和熔深增大;當負離焦量過大時,熔深逐漸減小。在正離焦量條件下,到達不銹鋼管表面的激光光斑變大、激光功率密度減小,從而導致孔內的蒸汽壓力和熔深減小。然而,激光光斑變大又使小孔開口處的直徑增加,致使孔內的金屬蒸氣受到的孔壁阻力減小,導致孔內噴出的金屬蒸氣增多,即羽輝體積增大。在較小的離焦量范圍內,羽輝的溫度幾乎不變。因此,隨著羽輝體積的增加,羽輝輻射出的光信號更強,導致P信號和T信號強度隨著離焦量的增大而增大。

    3.2搭接間隙對光信號和焊縫成形的影響規律

    復雜內流道構件主要為搭接焊縫,搭接間隙過大會影響焊接質量。搭接間隙對光信號的影響規律如圖5所示,對焊縫成形的影響如圖6所示。為消除噪聲對光信號的影響,采用Savitzky-Golay算法處理光信號數據。

    由圖5可知,異常焊縫的光信號強度均值都低于正常值;未熔合區的非塌陷焊縫對應的光信號強度均值明顯高于弧坑及塌陷焊縫位置的。當搭接間隙d≤0.1mm時,P信號和T信號無明顯波動,焊縫成形良好,將此條件下光信號強度均值作為正常值,如圖6(a)、(b)所示。當d=0.2mm時,焊縫表面局部出現塌陷,塌陷區內的焊縫宏觀形貌由釘頭形變為花瓶形,如圖6(c)所示,此時P信號和T信號強度均值分別為正常值的32%和34%。當d=0.3mm時,焊縫表面完全塌陷,焊縫宏觀形貌和光信號的變化與d=0.2mm時的基本一致,如圖6(d)所示。當d=0.4mm時,焊縫表面弧坑及塌陷焊縫與非塌陷焊縫相互交錯,三種典型的焊縫橫截面如圖6(e)所示。

    利用高速攝像機觀察羽輝形貌,并分析焊縫塌陷時光信號強度均值減小的原因。間隙條件下旁軸保護焊接光信號強度均值、羽輝形貌和焊縫表面形貌如圖7所示。由圖7可知,Ⅰ段和Ⅲ段內焊縫表面成形良好,光信號強度穩定,羽輝形貌基本一致;Ⅱ段內焊縫表面塌陷,羽輝面積和光信號強度均明顯減小。在激光焊接過程中,小孔周圍被低強度的熔融金屬包圍,間隙的存在致使孔內的高壓金屬蒸汽容易從間隙處外漏,導致小孔內部蒸汽壓力減小,小孔內部噴出的金屬蒸氣減少,即羽輝體積減小。因此,焊縫塌陷處的T信號和P信號強度明顯減小。

    3.3焊縫位置對光信號及焊縫成形的影響規律

    在復雜內流道構件激光焊接過程中,焊接變形及軌跡誤差會導致焊縫位置偏離筋中心,影響焊接質量。

    不同焊接位置對光信號強度及焊縫質量的影響如圖8、圖9所示,其中L為焊縫與筋(筋寬為2mm)中心的距離。從圖8可以看出,當L≤0.6mm時,P信號和T信號強度相近;當L=0.8mm和L=1mm時,P信號和T信號強度逐步降低。由圖9可知,當L≤0.6mm時焊縫成形良好,兩種光信號的強度無明顯變化;當L=0.8mm時,焊縫表面雖無明顯變化,但是焊縫橫截面出現異常,在搭接面下部,焊縫向流道一側凸起;當L=1mm時,焊縫表面塌陷,未形成完整搭接焊縫,P信號和T信號強度降低到正常值的32%和36%。

    4結論

    在光纖激光同軸焊接過程中,利用LWM采集焊接過程中的光信號,并分析光信號強度變化與焊接缺陷及羽輝形貌的對應關系,得到以下結論:

    1)光信號強度歸一化數值同焊接功率正相關,其變化能反映出焊縫熔深的改變,利用該變化可檢測焊接位置和搭接間隙引起的焊接缺陷。

    2)離焦量和搭接間隙對羽輝體積存在顯著的影響,且P信號和T信號強度均值同羽輝體積正相關。

    3)通過對P信號強度均值的計算,能夠準確判斷出焊縫塌陷的具體位置,可作為光纖激光焊接質量的評估方法。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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