孟宣宣，王春明，胡席远

(华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074)

光纤激光焊接熔池和小孔的高速摄像与分析

孟宣宣，王春明，胡席远

(华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074)

采用主动光源和光学窄带滤光片等辅助器件，利用高速摄像技术对光纤激光焊接过程中的熔池和小孔进行了拍摄，获得了较为清晰的熔池和小孔图像，以及不同激光功率下光纤激光焊接熔池和小孔的实际尺寸，可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据。对高速摄像图片和焊缝熔深波动以及焊缝形貌进行了分析。结果表明：小孔前沿附近是光纤激光焊接过程中飞溅产生的主要区域；利用高速摄像可以监测焊缝的熔深变化；熔池温度最低的区域为熔池后部的中轴线两侧，而非熔池边界处。

激光焊接；熔池；小孔；高速摄像系统

0 前言

激光焊接由于其热影响区小、能量密度高、升温迅速等方面的优势得到越来越广泛的应用。激光焊接分为热传导焊和深熔焊；激光深熔焊接以小孔的形成为基本特征。激光焊接过程中焊接速度快、冷却速度也快，再加上高温、高亮度、不断变化的光致等离子体的干扰，使得对激光焊接小孔的直接观察研究很困难，目前主要是利用数值模拟的方法或者借助其他手段间接研究小孔[1]。绝大多数的工程材料如金属激光焊接过程中，小孔的直接观察很困难，Arata[2]等人首次应用透明材料观察小孔；湖南大学金湘中[3]等人在他们的基础上改善了实验装置，应用不同的透明材料GG17获得了更加清晰的小孔轮廓图片；文献[4]提出了一种利用X射线穿透高速摄像的技术观察焊接小孔及其过程中产生的气泡；日本大阪大学Katayama Seiji等人[5－6]利用该方法解释了连续波激光缝焊和脉冲波激光点焊过程中的一些机制，但图片分辨率仍受到焊接速度等因素的限制[7]。

在此以高速摄像系统为研究平台，借助高速摄像机对光纤激光焊接过程中的小孔进行了拍摄。通过调整各部分参数在连续播放时可以达到非常清晰的效果，小孔震荡引起的熔池波动等特征能够清晰的反应出来，为激光焊接熔池和小孔的进一步深入研究提供了直观、便捷的通道，并且可以进一步发展激光焊接在线监测技术，为后续的研究奠定了基础。

1 试验方法与设备

通过调整高速摄像机及其辅助元器件的相关参数拍摄光纤激光焊接熔池及其小孔图像，优化拍摄效果，实验过程如图1所示。

图1 实验装置示意

实验设备有：德国IPG光纤激光器，最大输出功率4 kW；瑞士Photonfocus高速摄像机，采样频率2 000～3 000 fps；辅助光源为单激光光源，波长808 nm。

由于激光深熔焊接过程中产生的光致等离子体本身是一个高亮度的干扰光源，普通摄像设备对熔池和小孔的直接摄像达不到预期效果。所以采用辅助背光单激光光源和光学镜片的组合来实现熔池和小孔的拍摄。图2为高速摄像机镜头光学镜片组合，其中衰减片为全波段衰减，用来降低进入相机感光元器件的等离子体的整体光强，保护感光元器件不受过大光强伤害；窄带滤光片依据背光光源选择；镜头的最外层为保护玻璃，用来保护内层光学镜片，防止其受到飞溅的伤害。在拍摄过程中，依据实际情况调整镜片的组合。

2 实验结果与分析

由高速摄像图像测得光纤激光焊接激光功率分别为4.0 kW、3.0 kW、2.0 kW时，小孔直径、熔池宽度和熔池长度各自的平均值如表1所示，可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据。高速摄像图片如图3所示。

图2 高速摄像机镜头光学镜片组合

表1 不同功率条件下的小孔和熔池尺寸

图3 熔池与小孔图像

在单激光焊接过程中，小孔周围熔化的液态金属在小孔的震荡作用下以小孔为中心向四周传输。

图4为未加辅助光源时拍摄到的部分小孔和熔池图像。从图4中可以看出，由于小孔前沿较小，沿焊接方向传输的液态金属撞击小孔前沿的固态金属产生飞溅，小孔前沿附近是单激光焊接过程中飞溅产生的主要区域。

图4 飞溅的形成过程

向熔池后方传输的液态金属由于小孔的周期性震荡形成周期性波纹，如图5所示，该波纹与焊缝表面成形有密不可分的关系；同时，这种周期性的物质和能量传输与焊缝纵截面出现的熔深起伏(见图6a)也有很大的关系。

图6a为光纤激光功率4.0 kW的焊缝纵截面，熔深的波动周期平均值为0.374 s；图6b为该焊接过程高速摄像熔池大小波动的一个周期，周期为0.352 s，与熔深波动周期具有较好的对应性；图6c为该焊缝的表面形貌，可以非常清晰的看出熔池的周期性波动。图7a为光纤激光功率3.0 kW的焊缝纵截面，熔深波动较小；图7b为该焊接过程高速摄像熔池图像，熔池大小比较均匀；图7c为该焊缝的表面形貌，可以看出焊缝表面波纹比较均匀，不存在图6c中的较大的周期性波动，高速摄像与其具有较好的对应性。因此，可以利用高速摄像熔池波动图像能间接反映焊缝熔深变化的特征来监测焊缝熔深。

图5 熔池波动图像

向熔池两侧传输的液态金属由于两侧大于小孔前沿的液态金属区域的缓冲作用，很少产生较大的飞溅，其传输方向因与两侧固态金属的碰撞而发生改变，沿熔池边界向熔池后方传递；图8为使用808带通滤光片而未加辅助光源的熔池和小孔图片，该灰度图片中的亮度强弱可以反映熔池及小孔温度的高低。从图8中可以看出，小孔温度最高，其亮度已经超出灰度图片的最小阈值。从熔池的亮度分布可以看出其大致的温度分布，可以比较清晰地反映出高温液态金属的传输线路，熔池温度最低的区域为熔池后部的中轴线两侧，而非熔池边界处。

图6 焊缝纵截面、高速摄像熔池图像以及焊缝表面形貌(激光功率P＝4.0 kW，焊接速度v＝0.8 m／min)

图7 焊缝纵截面、高速摄像熔池图像以及焊缝表面形貌(激光功率P＝3.0 kW，焊接速度v＝0.8 m／min)

图8 熔池与小孔亮度分布

3 结论

在光纤激光焊接过程中应用高速摄像技术，通过实验综合验证、分析，可得到以下结论：

(1)采用合适的背光技术、光学镜片和高速摄像参数，可以获得较为清晰的熔池和小孔图像。

(2)获得了不同激光功率下光纤激光焊接小孔和熔池的实际尺寸，可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据。

(3)小孔前沿附近是光纤激光焊接过程中飞溅产生的主要区域。

(4)可以利用高速摄像监测焊缝的熔深变化。

(5)熔池温度最低的区域为熔池后部中轴线两侧，而非熔池边界处。

[1]段爱琴，陈俐，王亚军，等.CO2激光深熔焊接小孔与熔池特征研究[A].2005年中国机械工程学会年会论文集[C]，2005.

[2]Arata Y，Maruo H，Miyamoto I，et al.Dynamic Behavior of Laser Welding and Cutting[A].Proc.7th International Conf.on Electron and Ion Beam Science and Technology[C]，1976.

[3]JIN X Z，LI L J，ZHANG Y.A study on fresnel absorption and reflections in the keyhole in deep penetration laser welding[J].Journal of Physics D:Applied Physics，2002(35)：2304－2310.

[4]Arata Y.Plasma，Electron and Laser Beam Technology[M].Ohio：American Society for Metals，1986.

[5]Girard K，Jouvad J M，Boquillon J P，et al.Study of voluminal defects observed in laser spot welding of tantalum[C].SPIE.3888(2000)：418－428.

[6]Seiji Katayama，Koji Tanaka，Masami Mizutani，et al.Pulsed YAG laser spot welding under microgravity[C].SPIE.3888 (2000)：96－103.

[7]Alexander F.H.Kaplan，Masami Mizutani，Seiji Katayama，et al.On the mechanism of pore formation during keyhole laser spot welding[C].SPIE.4831(2003)：186－191.

High-speed photograph and the analysis of the welding pool and keyhole in fiber laser welding

MENG Xuan-xuan，WANG Chun-ming，HU Xi-yuan
(College of Materials Sicence and Engineering，Huazhong University of Sicence and Technology，Wuhan 430074，China)

The high-speed photograph technology，including the illumination source and bandpass filter，was utilized to shoot the molten pool and keyhole in the process of fiber laser welding，some clear images of them were obtained.The actual sizes of the molten pool and keyhole in the process of the fiber laser welding with different laser power were got，and these would provide reliable reference foundation for the simulation of the weld pool and keyhole in the process of fiber laser welding.The images，weld penetration and weld sharp were analyzed.The results showed that：the front of the keyhole is the main position where the spatters formed；the high-speed photograph technology can be used to monitor the weld penetration；the region of the molten pool which had the lowest temperature is the two sides of the axile wire of the rear part，but not the boundary of the molten pool.

laser welding；welding pool；keyhole；high-speed photograph

book=78,ebook=330

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0078－04

2010－10－11

孟宣宣(1984—)，女，安徽淮北人，硕士，主要从事激光加工和激光焊接图像采集的研究工作。