TC4钛合金激光焊接等离子体电信号熔透特征研究 李旺.pdf

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中国激光
，特征振荡有明显的不确定性。
关键词 激光焊接；钛合金；激光等离子体；电信号；熔透状态
1 引 言
激光焊接是 20 世纪以来的一种新型焊接方法，它采用高能激光束作为焊接热源，具有
能量密集、灵活高效等优点，在金属材料加工领域被广泛应用，是实现高端智能制造的重要
途经[1]。等离子体的产生作为激光深熔焊接过程中的重要物理现象，其中包含了激光焊接过
程的大量信息。研究等离子体的行为特征，对于深入了解激光焊接进而实现激光焊接过程的
质量监测具有重要意义[2]。
对激光焊接过程等离子体的研究手段有声信号检测与光信号检测等[3-11]，近些年有关等
离子体电信号检测的研究也取得了一定进展[12-17]。等离子体电信号的检测基于等离子体鞘层
理论，主要使用无源探针与等离子体接触的方法来采集电信号。该种检测方法可以做到对激
光焊接过程的实时检测，并且采集到的等离子体电信号具有质量可靠，受环境因素干扰较小
等优点。Bi 等[12]利用无源探针检测计算了低碳钢在激光焊接过程中的等离子体温度，其结
果与光谱信号计算所得结果基本吻合，论证了利用无源探针来研究激光焊接等离子体的可行
性。Zhao 等[13]研究了等离子体电信号的特征振荡频率与激光功率和焊接速度的关系，许赛
等[14]在此基础上，研究了等离子体电信号特征振荡频率与焊缝熔深的关系，并给出了二者之
间的拟合公式，具有较好的预测效果。随着等离子体电信号研究的不断深入，不同焊缝成形
下的电信号特征研究正逐渐成为激光焊接过程监控的重要选择。相较于不锈钢和低碳钢，钛
合金激光焊接的等离子体喷发更加强烈，信号特征也更加明显。因此本研究采用 TC4 钛合
金作为试验材料，对钛合金激光焊接过程中熔透焊缝与未熔透焊缝的等离子体电信号特征展
开了研究。
2 理论基础与试验方法
等离子体信号采集装置
本试验所用的激光焊接等离子体光电信号同步采集系统如图1所示，等离子体电信号采
集原理如图2所示。
试验采用的激光器为Nd:YAG型激光器，具有2 kW的额定功率，可输出波长1064 nm的
激光，聚焦透镜的焦距为160 mm， mm。电信号的数据采集过程采用USB-6211
型数据采集卡，在本试验中所使用的采集频率为100 kHz。采用的高速摄像机为PHOTRON
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基金项目：国家自然科学基金(51875403)
*E-mail：******@；** E-mail：******@ Super 10KC 型高速摄像机，试验中所使用的拍摄频率为 2000 fps，拍摄方向与实
际焊接方向垂直。
本试验中所使用的板材为 TC4，其规格为 100 mm50 mm2 mm。正、背面保护均为
氩气保护，正面保护气流量为 20 L/min，背面保护气流量为 10 L/min，无源探针距离板面高
度为 2 mm。通过参数优化，将激光功率固定为