高功率激光焊接等離子體三維重建及能量傳輸研究.pdf

1、在高功率激光焊接的過(guò)程中，光致等離子體-激光-材料三者之間有著復(fù)雜的相互制約與能量耦合關(guān)系。光致等離子體將會(huì)影響激光穿越等離子體的空間路徑以及最終到達(dá)工件表面的激光能量密度，從而極大地影響整個(gè)焊接過(guò)程以及焊縫成形。準(zhǔn)確測(cè)量激光焊接等離子體內(nèi)部的三維物理參數(shù)分布是研究等離子體行為特性以及激光傳輸過(guò)程的重要前提。由于高功率激光焊接過(guò)程中光致等離子體高能量密度、高速動(dòng)態(tài)變化的特性，以及不均勻非對(duì)稱分布的內(nèi)部特征，現(xiàn)階段針對(duì)高功率激光焊接等離子

2、體物理參數(shù)的測(cè)量絕大部分是單點(diǎn)測(cè)量或二維分布測(cè)量，對(duì)等離子體內(nèi)部三維物理場(chǎng)測(cè)量的研究非常有限。由于對(duì)激光焊接等離子體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物理特性缺乏準(zhǔn)確而可行的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，直接限制了對(duì)激光焊接過(guò)程中發(fā)生的光致等離子體-激光能量交互作用的研究。因此，迫切需要研究適用于高功率激光焊接的光致等離子體三維重建方法，準(zhǔn)確測(cè)量等離子體內(nèi)部的三維物理參數(shù)場(chǎng)，并基于等離子體的三維模型研究等離子體-激光能量交互機(jī)制。這對(duì)于認(rèn)識(shí)高功率激光焊接等離子體的物理特性，

3、揭示激光焊接機(jī)理具有十分重要的意義。
　　本文開(kāi)發(fā)了一套多通道同步攝影系統(tǒng)來(lái)獲得激光焊接過(guò)程中光致等離子體在空間不同角度的投影數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了由多角度投影光譜圖像進(jìn)行激光焊接等離子體三維重建的方法，準(zhǔn)確測(cè)量等離子體溫度場(chǎng)等三維物理參數(shù)場(chǎng)。并以此為手段計(jì)算了He+Ar混合氣體保護(hù)下鋁合金CO2激光焊接過(guò)程中Ar-He-Al三元等離子體的三維溫度場(chǎng)以及吸收系數(shù)與折射率的空間分布，并以三維物理模型為基礎(chǔ)研究了等離子體對(duì)激光的吸收與折射機(jī)制。

4、深入研究了側(cè)吹氣體參數(shù)對(duì)等離子體的三維形態(tài)、物理特性以及激光能量傳輸?shù)挠绊?。本文的主要研究成果如下?br>　　針對(duì)等離子體圖像中存在的噪音污染、飛濺顆粒以及工件表面反光等嚴(yán)重影響重建精度的干擾因素，采用P-M擴(kuò)散法對(duì)等離子體圖像去噪處理，在去除噪聲的同時(shí)保留等離子體的邊緣；運(yùn)用灰度形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算濾除飛濺顆粒引起的孤立點(diǎn)集，減小飛濺物對(duì)等離子體投影光路的影響；采用改進(jìn)的snake算法，利用等離子體形狀的先驗(yàn)知識(shí)將等離子體本體與像的邊緣剝離

5、，避免了將高亮度的等離子體像錯(cuò)誤地劃分進(jìn)重建區(qū)域。提出了一種基于質(zhì)心投影準(zhǔn)則的圖像校正方法，以等離子體圖像的質(zhì)心投影線在空間交于一點(diǎn)為約束條件，對(duì)圖像進(jìn)行平移微調(diào)。校正后等離子體圖像質(zhì)心配準(zhǔn)誤差由1mm左右減少到0.1mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了校正攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)的優(yōu)化效果。
　　根據(jù)幾何光學(xué)知識(shí)構(gòu)建了等離子體中心投影模型。在中心投影模型中，投影光線是由一系列經(jīng)過(guò)投影中心的幾何光線所組成的楔形光線束，此時(shí)投影權(quán)重計(jì)算變得復(fù)雜。對(duì)此提出了一種新

6、的投影權(quán)重計(jì)算方法，將重建區(qū)域的格子投影到成像面后計(jì)算投影面積對(duì)像素點(diǎn)的貢獻(xiàn)。這樣可將計(jì)算空間從n維變換為n-1維，降低了計(jì)算量與計(jì)算復(fù)雜度。通過(guò)分析可知本文提出的投影權(quán)重計(jì)算方法與傳統(tǒng)的投影光線路徑法的計(jì)算結(jié)果等效。采用多目標(biāo)優(yōu)化的ART算法進(jìn)行等離子體三維重建，通過(guò)模擬計(jì)算分析了重建參數(shù)對(duì)重建過(guò)程的影響，獲得了一組優(yōu)化的重建參數(shù)。
　　結(jié)合局部熱力學(xué)平衡態(tài)方程計(jì)算了鋁合金 CO2激光焊接等離子體三維溫度場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果表明：等離子

7、體最高溫度在8000K-12000K之間，最高溫度出現(xiàn)在工件上方約0.5mm處。等離子體中心區(qū)域溫度場(chǎng)的分布具有不連續(xù)性和不平滑性，由多個(gè)孤立高溫區(qū)域和相對(duì)低溫區(qū)域組成。采用本文方法計(jì)算得到的等離子體溫度略高于基于Abel逆變換重建算法的計(jì)算值。
　　深入分析了球形分層模型和平行分層模型（或網(wǎng)格模型）對(duì)激光傳播軌跡的影響，揭示了平行分層模型（或網(wǎng)格模型）計(jì)算的激光軌跡與實(shí)際情況相悖的根本原因是：當(dāng)激光進(jìn)入分層界面時(shí)，由于分層界面的

8、法線位于光線右側(cè)，激光趨向于更接近中心線，因此等離子體起到了正透鏡的作用，與實(shí)際情況不符。建立了可從網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化的等離子體二次曲面分層模型，可以解決網(wǎng)格分界面的法線方向無(wú)法反映宏觀尺度實(shí)際情況的問(wèn)題。
　　研究了He+Ar混合側(cè)吹氣體流量及組分對(duì)等離子體的形態(tài)特征、物理特性以及激光能量傳輸效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)：等離子體的溫度隨著氣體流量的增加而減小，在各個(gè)氣體流量下隨著Ar含量的增加呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。但是隨著氣體流量的增加，等離子

9、體溫度的下降速度逐步減小。各組氣體參數(shù)下等離子體沿激光入射方向的溫度分布趨勢(shì)較為相似，最高溫度均出現(xiàn)在距離工件上方約0.5mm處，且最高溫度隨Ar含量的增加而上升。等離子體的折射作用造成的激光能量損失率在6％-22%范圍內(nèi)，等離子體吸收造成的能量損失率在4%-15%范圍內(nèi)。在同樣的氣體參數(shù)下折射造成的能量損失略高于吸收。激光穿越等離子體后總的能量損失率隨著氣體流量增大而減小，隨Ar含量的增加而增加。從能量損失的角度來(lái)看，Ar在He+Ar