基于亥姆霍兹原理的激光焊小孔腔体发声基础理论研究

Acoustic signal generated in laser welding processing is a suitable parameter of quality procedure detection, as its advantages of fast response, non-contact measurement and containing a large number of welding penetration information. However, because the research on mechanism of acoustic sources is not a system and there are many unknown phenomenon, its application is restricted in the laser welding.. A recent study found that the keyhole generated in deep penetration has a long and narrow cavity and the plasma/metal vapor spray for the cavity body. This processing can be analogy Helmholtz resonator voice, which provides a new approach for studying the acoustic generation by the keyhole cavity. Therefore, this project is firstly explored the acoustic mechanism of keyhole cavity, combining with the Helmholtz model and deep penetration characteristics.. This project intends to study the inner link between the acoustic signal and keyhole cavity source. Then the models and algorithms can be set up for obtaining the basic rule of different shapes of keyhole cavities generating acoustic signal. After that, the radiation sound field of the keyhole cavity and the real-time dynamic source pressure are all calculated which used to evaluate the quality of welding seam. This research helps find and put forward a new concept for acoustic signal used in laser welding test theory basis.

激光焊接过程中产生的声信号带有大量焊接熔深信息，且具有响应速度快、非接触测量等特点。但由于目前对声源发声现象与机理研究不完善，使它在激光焊接中应用受到限制。. 近期研究发现，激光深熔焊过程中小孔为一狭长腔体，等离子体/金属蒸汽从腔体内喷射出来，该过程可类比亥姆霍兹共振腔发声过程，这为深入研究小孔腔体声源发声提供新的途径。鉴此，本项目率先参考声学中亥姆霍兹模型，结合深熔焊接的特点，对小孔腔体发声机理进行整体探索。. 本项目拟研究声信号与小孔腔体声源发声内在联系，建立有关模型及算法；揭示焊接工艺参数对小孔腔体作用机理，得到不同形状小孔腔体产生声信号基本规律，计算小孔腔体辐射声场和动态声源实时声压，评价焊接过程焊缝质量。该项研究有助于发现和提出新概念，为声信号在激光焊接检测中应用奠定理论基础。

项目研究背景：同其它焊接方法相比，激光焊接技术是先进的制造方法，是最具发展前途的焊接技术。激光焊接技术不仅在生产率方面高于传统焊接方法，而且焊接质量也得到了显著的提高。然而，激光焊接过程是一个多参数的时变过程，受多因素的影响。因此，为了保障激光焊接质量并充分发挥激光焊接的优势，加快其实用化进程，亟需进行激光焊接物理过程的基础研究，掌握焊接过程特点，把握焊缝成形规律，为今后激光焊接过程实时检测技术的应用提供理论依据和基础数据，从而对“光加工”在机械制造行业的推广应用具有重要的现实意义。. 激光焊接过程中产生的声信号带有大量焊接熔深信息，且具有响应速度快、非接触测量等特点。但由于目前对声源发声现象与机理研究不完善，使它在激光焊接中应用受到限制。近期研究发现，激光深熔焊过程中小孔为一狭长腔体，等离子体/金属蒸汽从腔体内喷射出来，该过程可类比亥姆霍兹共振腔发声过程，这为深入研究小孔腔体声源发声提供新的途径。鉴此，本项目率先参考声学中亥姆霍兹模型，结合深熔焊接的特点，对小孔腔体发声机理进行整体探索。. 本项目中重点研究声信号与小孔腔体声源发声内在联系，建立有关模型及算法；揭示焊接工艺参数对小孔腔体作用机理，得到不同形状小孔腔体产生声信号基本规律，计算小孔腔体辐射声场和动态声源实时声压，评价焊接过程焊缝质量。. 通过本项目的研究，对激光深熔焊小孔腔体发声机理有系统性的理解和认识，建立了小孔腔体声源发声模型用于声信号的预测，并能够对深熔焊过程小孔腔体动态变化进行数值计算。. 同时，发表了论文21篇，申请了国家发明专利8项目，国家实用新型专利2项。. 激光深熔焊熔体小孔复杂腔体声源发声机理是一个全新的基础理论性研究，该项研究工作的开展必经为今后声信号作为激光焊接过程质量检测参量提供理论支撑。