基于激光光电法的脉冲GTAW焊熔池振荡频率实时检测研究

摘要

熔池振荡频率与熔池尺寸具有直接物理对应关系，但熔池振荡频率的实时检测十分困难。尤其在连续焊时，利用目前已有的检测方法如弧压、弧光法很难可靠并准确的提取出熔池振荡频率。针对该问题，文中提出了一种连续脉冲GTAW焊熔池振荡频率实时检测新方法—激光光电法，并对其理论基础及可行性进行了深入的研究与分析。该方法的原理是以一定几何参数将激光条纹投射到GTAW熔池表面，由于熔池表面具有类镜面反射特性，激光条纹经熔池表面发生反射，且反射激光条纹对熔池振荡幅度有很好的光学放大作用。反射激光条纹经滤光片后进入包含有光电转换传感器的暗室，利用光电转换传感器把光信号转化为电信号。由于熔池周期性振荡必将引起反射激光条纹亮度的积分值周期性变化，而反射激光条纹亮度积分值的周期性变化势必同步引起电信号的变化。因此，可采用由反射激光条纹引起的周期性变化电信号来表征熔池振荡情况，通过对采集的电信号进行实时处理即可得到熔池振荡频率。该方法成功解决了连续焊接过程中熔池振荡频率实时检测的难题，为连续脉冲GTAW焊熔透实时传感提供了一种新方法。本文主要基于下述几个方面对激光光电法进行了研究与分析。
　　(1)根据激光光电法测量原理，建立了基于激光光电转换的实时检测熔池振荡频率的传感系统。该传感系统采用了光电转换的方法，使熔池振荡频率传感系统的实时性得到了大幅度提高。另外，该传感系统还具有成本低、易于实现等特点。
　　(2)通过脉冲GTAW定点及连续焊条件下熔池振荡频率实时检测工艺试验，分别研究了激光光电法可靠性及可行性。试验结果表明：定点焊时不论是在熔透还是在未熔透情况下，激光光电法都能够稳定并可靠的检测出熔池振荡频率，且随着焊接时间增加，熔池振荡频率呈现减小的趋势；连续焊时利用激光光电法也能够稳定并可靠的检测出熔池振荡频率，且焊接速度的变化对激光光电法获得熔池振荡信号质量影响较小；激光光电法能够提取出不同板厚下熔池振荡频率，不受焊接材料厚度影响；在相同焊接规范下无论是定点焊还是连续焊条件下激光光电法与激光视觉法获得熔池振荡频率范围基本一致；利用激光光电法获得的基值阶段周期性变化的电信号主要是由反射激光条纹亮度的变化而引起的，而不是由弧光引起的。
　　(3)文中定性分析了激光光路参数对传感熔池振荡信号质量的影响，并获得了理论上的最佳激光光路参数。通过对比分析暗室处于不同位置时获取的熔池振荡信号质量的差别，发现暗室的放置位置对能否获得高质量的熔池振荡信号具有决定性的作用。文中对熔池、激光器与暗室的位置进行了仿真分析，建立了暗室、熔池与激光器位置关系模型，利用该模型能够计算出暗室合理的放置位置。同时，文中也分析了脉冲频率、电弧长度及焊接速度等电弧参数对熔池振荡信号质量的影响，为进行熔池振荡频率实时检测试验提供了最佳参数范围。
　　(4)通过分析熔池振荡特征频率与焊缝几何尺寸之间的关系以及熔池振荡频率随焊接参数变化特点，发现利用激光光电法获取的熔池振荡频率能够实时传感焊缝熔透及熔深的变化；熔池未熔透时的振荡频率显著高于熔池全熔透时的振荡频率；熔池由未熔透向全熔透逐渐变化时，熔池振荡频率不是渐变的，而是突然由较高频率变化到较低频率。