激光深熔焊等离子体波动行为及焊缝成形检测原理的研究

The correlation of keyhole behavor and plasma plume fluctation in laser welding is studied on basis of numerical simulation of the behavior coupling mechanism of keyhole-vapor/plasma plume. A kind of optical-electric synchronous detection with passive electrical detection, spectrum diagnosis and high speed camera is put forward and a plasma electrical model is developped for the invisiable plasma inside keyhole in actual laser welding to study the thermodynamic properties and behavir characteristic of the laser induced plasma from inside keyhole to outside keyhole in laser deep penetration welding. The characteristic of plasma electrical signals verified by spectrum diagnosis and high speed camera is analyzed to reflect the weld forming process and the fluctating behavior of plasma plume and keyhole. A mapping relation from the characteristic of plasma electrical signal to weld forming and welding quality is established for illustrating the detecting mechanism of plasma fluctating behavior and weld formation and proposing a online monitoring method of welding quality and weld formation.

本项目在激光焊熔池/小孔－金属蒸气/等离子体行为耦合机制数值模拟研究的基础上，分析熔池/小孔行为与等离子体波动行为的关系，针对实际激光深熔焊条件下小孔内等离子体难以观测的问题，提出一种包含无源电检测、光谱检测和高速摄像的激光等离子体光电同步检测系统，建立等离子体电源模型，展开对小孔内外等离子体整体的热力学特性及波动性的研究，以等离子体电信号为主辅以光谱及高速摄像的光信号对比验证，分析电信号特征对小孔及等离子体波动行为特征以及焊缝成形过程的反映，建立等离子体电信号特征与焊缝成形及焊接质量的映射关系，阐明等离子体波动行为及焊缝成形的检测原理，提出激光焊焊接质量与焊缝成形的在线监控方法及技术方案。

激光深熔焊接是一种广泛应用的焊接技术，具有高质量、高生产效率和高灵活性等众多内在优点，在广泛的工业领域中具有巨大的应用潜力。深入研究激光焊接过程背后潜在的物理机制，探索激光深熔焊接过程中熔池、小孔以及金属蒸汽/等离子体波动行为及其耦合机制，可为激光深熔焊接过程的在线监测提供指导意义。.本项目提出了等离子体电信号的改进电源物理模型；建立了激光焊接过程的熔池-小孔-金属蒸汽/等离子体的耦合多物理场模型，分析了熔池、小孔以及金属蒸汽/等离子体的动力学行为规律；搭建了以高时间分辨率的无源电检测和光谱检测、高速摄像为一体的激光等离子体光电信号同步检测系统，研究了低碳钢、不锈钢、钛合金等金属材料的光电信号特征及小孔内外等离子体的热力学特性与波动性，分析了电信号特征对小孔及等离子体波动行为特征及焊缝成形过程的反映、焊接缺陷与等离子体电信号的关联性，建立了基于等离子体电信号的焊接缺陷的深度学习预测模型；利用构建光电信号同步检测系统，进行了激光熔覆与增材制造、电弧增材制造等一系列拓展研究。本项目研究了激光等离子体的热力学特性和波动行为特征，阐明了等离子体电信号特征与焊缝成形及焊接质量的映射关系，丰富了小孔/熔池动力学行为与金属蒸汽/等离子体的热力学行为耦合机制的理论。.本项目研究成果对焊缝成形、缺陷检测和工艺优化具有理论指导意义，对激光焊接的过程监控具有重要的理论意义和实际应用价值。