基于多信息融合传感的激光熔钎焊 质量在线监测技术研究

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1、哈尔滨工业大学硕士研究生开题报告基于多信息融合传感的激光熔钎焊质量在线监测技术研究11哈尔滨工业大学硕士研究生开题报告1课题的来源和意义在航天航空工业中，钛合金作为主要结构材料应用广泛[1]。钛具有比强度高、耐高温、抗腐蚀及断裂韧性等优点。是超音速飞机的理想蒙皮材料，占其结构总重量95%[2]。镁合金作为最轻的工程金属材料（密度为铝的2/3，钢的1/4），具有比重小，比强度及比刚度高，阻尼性、导热性、减振性及切削加工性好，电磁屏蔽能力强和易于回收等一系列独特的性质，满足航空航天、现代汽车工业对减重、节能和环保的要求[3]

2、，被誉为“21世纪绿色工程金属材料”和“最重要的商用轻质材料”，在航空航天、行走机械等工业领域具有广阔的应用前景。由于钛的密度比镁大，造价高于镁合金，不能大量使用。而在某些比较苛刻的工作条件下，往往要求一个零件同时具备几个方面的特殊性能。例如抗腐蚀性、高的比强度、经济性及耐热性等。但是绝大多数金属材料都不可能同时具有多方面的性能，而且具有特殊性能的金属材料往往是稀缺昂贵的，不能大量使用。而采用异种材料构件能够最大限度地利用材料的各自优点，使性能匹配最优化，获得特殊的使用性能。在异种材料连接中，相对于其他焊接方法，激光熔钎

3、焊是一种最合适的方法。第一，由于激光具有极快的加热与冷却速度，有效地减少了钎焊接头的液态金属与固态金属的相互作用时间，大大降低了金属间化合物的长大倾向。第二，与其他焊接方法相比，激光熔钎焊变形小，产生的残余应力也很小。第三，由于激光的加热位置不受外界的影响，可实现对熔化位置的精确控制。第四，通过调节离焦量，或调整光斑类型，可以很方便地调节激光能量密度分布。但是，异种金属材料的焊接性主要取决于它们物理性能和化学成分，通常比同种金属材料焊接时要困难一些。由表1-1可见，Ti-6Al-4V和AZ31B在熔点、热膨胀系数、导热率

4、等物理性能方面存在较大的差异。表1-1Ti-6Al-4V和AZ31B物理性能参数[4]物理性能20℃密度ρ/g·cm-3熔点Tm/℃400℃热导率λ/W·m-1·k-120-400℃热胀系数α/10-6·k-1Ti-6Al-4V4.45153812.569.24AZ31B1.81605～6309626在镁/钛异种材料连接中，由于熔点和热导率的较大差异，使得在异种材料激光熔钎焊时存在铺展不对称现象。另外，异种材料连接时，界面容易生成金属间化合物，增加了接头裂纹形成的倾向性。由于镁合金熔点较低，激光焊接时极易蒸发，造成焊缝出

5、现气孔等焊接缺陷。11哈尔滨工业大学硕士研究生开题报告由于焊接缺陷种类多、数量大，如果焊后100%检测需要消耗大量的人力和物力；此外，在线监测可以及时反馈质量信息，解决问题，而传统的焊后检测无法及时发现因为焊接设备和材料的问题产生大批量不合格焊缝，造成大量损失。因此，发展激光熔钎焊质量在线监测技术具有重大的经济效益和社会效益。2国内外研究现状2.1激光焊接过程的信号传感的研究现状由于目前还难以对激光焊接熔池和小孔内部进行直接观测，激光焊接过程的监测对象仅停留在观测间接反映焊接质量的各种光、声、电、热信号上。相应地，利用电

6、感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器作为检测手段对焊接过程中辐射的各种信号进行采集[5],如图1.1所示。图1.1激光焊接过程信号检测手段1、光信号检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括工件上方和小孔内部）光辐射和从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD和高速摄像机，以及光谱分析仪等。2、电信号等离子体是由于金属蒸汽电离而形成，它宏观上呈中性，但它包含着大量的中性原子、带正电的离子和带负电的电子，具有复杂的电特性。在高温下，电子和离子都将剧

7、烈运动。由于电子运动速度大，平均自由程比离子大得多，导致空间电子向等离子体表面层运动，使等离子体出现局部非平衡电荷，从而形成相对于激光入射点，沿激光入射轴线方向的电位差[6]。3、声信号11哈尔滨工业大学硕士研究生开题报告在激光焊接过程中，激光束能量不断地作用在工件表面，致使工件表面的温度升高，从而在熔池附近形成了一个温度梯度场，引发热振动。此外，在激光深熔焊下，材料强烈汽化，并使得金属蒸汽和周围气体发生较高程度的电离，形成致密的等离子体。因此，除了在数量上占有一定优势的中性原子热运动造成的寻常声波外，在等离子体中还存在

8、着离子声波。4、热信号对激光焊接时等离子体或熔池的温度进行接触式测量的尚不多见。焊缝的微观结构和机械性能与焊接过程中的冷却速度有很大关系。实时检测焊接过程中熔池的冷却速度对于避免各种焊接缺陷有着重大意义[7]。实际上，对工作区的红外辐射测温，本质就是对等离子体和熔池温度的测量。2.1.1激光焊接过程的视觉传感基于视觉