激光焊接与切割质量控制

序
前言
第1章 激光焊接理论基础1
1.1 引言1
1.2 材料对激光的吸收1
1.2.1 材料吸收激光的一般规律1
1.2.2 金属对激光的吸收4
1.3 激光作用下材料的物态变化和焊接模式7
1.3.1 激光作用下材料的物态变化7
1.3.2 两种激光焊接模式8
1.4 光致等离子体及其对焊接质量的影响12
1.4.1 光致等离子体的产生12
1.4.2 光致等离子体的特征14
1.4.3 光致等离子体与激光的相互作用18
1.4.4 光致等离子体的控制21
1.4.5 光致等离子体的光、声、电信号与质量监测24
1.5 小孔效应27
1.5.1 小孔的产生与发展27
1.5.2 小孔内激光能量的吸收27
1.5.3 小孔内的压力平衡29
1.5.4 小孔的不稳定性和小孔型气孔的产生30
参考文献31

第2章 激光焊接工艺基础和不稳定性控制34
2.1 引言34
2.2 影响激光焊接质量的主要因素34
2.2.1 焊接设备35
2.2.2 工件状况36
2.2.3 焊接参数36
2.3 焊接参数对焊缝成形和过程不稳定性的影响37
2.3.1 焊接参数对焊接过程及成形的影响——两种焊接模式和三种焊接过程37
2.3.2 多参数对焊接模式的综合影响40
2.4 三种激光焊接过程的机理及模式转变曲线数学模型42
2.4.1 三种激光焊接过程的产生机理分析42
2.4.2 双u形激光焊接模式转变曲线的理论模型46
2.4.3 双u形模式转变理论曲线的实验验证与模型修正48
2.5 激光焊接过程稳定性的实时监测50
2.5.1 激光焊接过程监测用传感器50
2.5.2 激光焊接过程监测系统52
2.5.3 焊接过程稳定性的实时监测53
2.6 双u形模式转变曲线的应用和焊接工艺制定实例55
2.6.1 双u形模式转变曲线应用中的问题55
2.6.2 激光焊接工艺制定和质量控制实例57
参考文献62

第3章 小孔型气孔的产生及抑制方法65
3.1 引言65
3.2 小孔型气孔的特征及其产生机理66
3.2.1 小孔的动态行为与小孔型气孔的产生66
3.2.2 小孔型气孔的形状和分布特征68
3.2.3 气泡产生的模型68
3.3 影响小孔型气孔的因素69
3.3.1 小孔穿透状态的影响69
3.3.2 激光功率的影响71
3.3.3 激光束倾角的影响71
3.3.4 激光脉冲调制频率和波形的影响72
3.3.5 保护气体种类的影响74
3.3.6 激光-电弧复合焊的影响78
3.4 抑制和减少小孔型气孔的方法79
3.5 较低功率薄板焊接时小孔型气孔的产生与防治80
3.5.1 背景80
3.5.2 低功率薄板焊接时小孔型气孔的特征80
3.5.3 连续激光焊接参数对气孔率的影响81
3.5.4 激光脉冲调制频率对气孔率的影响规律及其机理分析85
3.5.5 小孔型气孔抑制方法的选择89
3.6 小孔型气孔抑制方法的工程应用90
3.6.1 产品结构及工程背景90
3.6.2 技术方案实施流程和验证试验91
3.6.3 正式产品批量施焊的效果92
参考文献93

第4章 激光束焦点位置寻优与控制96
4.1 引言96
4.2 引起激光束焦点位置波动的主要因素96
4.2.1 透镜-工件距离的变化97
4.2.2 热透镜效应97
4.2.3 飞行光路中不同光程的影响100
4.2.4 小结101
4.3 激光束焦点位置检测与控制发展现状102
4.3.1 高度跟踪传感器102
4.3.2 自适应光束焦点调节系统103
4.3.3 激光焊接焦点位置的检测与控制104
4.3.4 现有控制方法的局限性和自寻优双闭环控制系统的提出105
4.4 焦点位置自寻优双闭环控制原理分析106
4.4.1 焦点位置自寻优双闭环控制系统所用传感器106
4.4.2 焦点位置自寻优控制原理107
4.4.3 喷嘴-工件距离闭环控制原理110
4.5 焦点位置自寻优双闭环控制系统115
4.5.1 焦点位置自寻优双闭环控制系统的功能115
4.5.2 焦点位置自寻优双闭环控制系统硬件构成115
4.5.3 焦点位置自寻优双闭环控制系统软件设计117
4.5.4 焦点位置自寻优双闭环控制的效果120
4.5.5 小结123
参考文献124

第5章 激光深熔焊熔透的实时检测与控制127
5.1 引言127
5.2 激光焊接熔透状态的分类和特征128
5.3 co2激光深熔焊熔透同轴检测系统129
5.3.1 基于ps的同轴熔透检测系统129
5.3.2 基于视觉传感器（vs）的同轴熔透检测系统131
5.4 co2激光深熔焊熔透状态的实时识别133
5.4.1 利用同轴ps信号的时域特征识别熔透状态133
5.4.2 利用同轴ps信号的频域特征识别熔透状态139
5.4.3 利用小孔图像的灰度分布特征识别熔透状态142
5.4.4 小结146
5.5 co2激光深熔焊熔透的闭环控制147
5.5.1 控制方案分析147
5.5.2 熔透闭环控制系统的建立147
5.5.3 平板熔透闭环控制147
5.5.4 斜板熔透闭环控制150
参考文献154

第6章 填丝激光焊及焊缝成形自适应控制156
6.1 引言156
6.2 填丝激光焊的特点和应用156
6.3 激光束和焊丝的相互作用158
6.3.1 焊丝对激光的吸收、反射和被透射158
6.3.2 影响焊丝熔化的因素159
6.4 填丝激光焊焊接参数的选择与匹配162
6.4.1 送丝速度与焊接速度的匹配162
6.4.2 送丝速度与焊接速度的许用范围163
6.4.3 坡口间隙变化时的焊接参数调节164
6.5 用于坡口状态实时检测的传感器165
6.5.1 基于三维视觉的坡口检测传感器165
6.5.2 基于线阵ccd的坡口检测传感器167
6.5.3 扫描式laser-psd传感器167
6.6 填丝激光焊焊缝成形质量自适应控制170
6.6.1 控制系统的构成170
6.6.2 焊缝成形自适应控制实验171
参考文献173

第7章 激光-gma复合焊及熔透控制174
7.1 引言174
7.2 激光-gma复合焊的特点和应用174
7.3 激光-gma复合焊接参数对焊缝成形的影响179
7.3.1 激光功率对熔深、熔宽的影响179
7.3.2 gma电流对熔深、熔宽的影响180
7.3.3 激光与电弧间距离（dla）对熔深、熔宽的影响181
7.3.4 焊接速度对熔深的影响182
7.4 激光-gma复合焊接参数对熔透状态的影响182
7.4.1 评价激光-gma复合焊熔透状态的指标182
7.4.2 激光功率对熔透状态的影响183
7.4.3 gma电流对熔透状态的影响184
7.4.4 焊接速度对熔透状态的影响185
7.4.5 坡口间隙对熔透状态的影响186
7.4.6 小结187
7.5 复合焊熔透状态视觉检测方法187
7.5.1 复合焊熔透检测方法的选择187
7.5.2 熔池背面视觉检测系统188
7.5.3 熔池背面视觉检测关键技术188
7.6 复合焊熔池背面图像处理算法194
7.6.1 坡口间隙宽度检测算法195
7.6.2 熔池图像特征分析和熔宽检测算法196
7.7 复合焊熔透状态闭环控制205
7.7.1 控制方案分析205
7.7.2 复合焊熔透闭环控制系统206
7.7.3 复合焊熔透闭环控制的效果208
参考文献211

第8章 激光切割及其质量检测与控制214
8.1 引言214
8.2 激光切割的特点214
8.3 激光切割的分类及机理215
8.3.1 汽化切割215
8.3.2 熔化切割215
8.3.3 反应熔化切割215
8.3.4 控制断裂切割216
8.4 激光切割质量的评价指标216
8.4.1 评价切割质量的主要指标216
8.4.2 切割面粗糙度的评价基准217
8.5 影响激光切割质量的主要因素219
8.5.1 激光切割系统性能对切割质量的影响219
8.5.2 激光切割参数对切割质量的影响222
8.6 激光切割质量实时检测方法223
8.6.1 激光切割质量实时检测方法的选择223
8.6.2 基于切割前沿图像的缺陷识别225
8.6.3 基于火花簇射图像的切割面近下缘粗糙度检测229
8.7 实用化的切割面粗糙度检测方法——火花簇射同轴视觉检测与图像处理237
8.7.1 火花簇射同轴视觉检测可行性分析237
8.7.2 火花簇射同轴视觉检测的图像算法239
8.7.3 火花簇射同轴图像特征参数与切割面粗糙度的关系241
8.8 激光切割质量自寻优控制243
8.8.1 控制方案设计243
8.8.2 激光切割质量实时检测与控制系统245
8.8.3 自寻优控制过程及效果246
参考文献252