大功率激光焊接過程狀態(tài)復(fù)合驅(qū)動在線檢測方法研究.pdf

1、近年來，隨著大功率固態(tài)激光器的飛速發(fā)展，激光焊接逐漸取代傳統(tǒng)焊接工藝，成為高質(zhì)量、高效率焊接的關(guān)鍵技術(shù)。特別是厚板材料焊接領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)具有無可替代的優(yōu)勢，如熔深大、熱變形小、深寬比大等。由于激光焊接過程劇烈的熱能轉(zhuǎn)換效應(yīng)，對工藝參數(shù)及工件固定的精度要求極高，細微的變化即可導(dǎo)致嚴重的焊接缺陷。因此隨著激光焊接技術(shù)在各個行業(yè)的全面普及，對其加工過程的質(zhì)量監(jiān)控顯得尤為重要。針對激光焊接過程復(fù)雜的非線性多態(tài)耦合變化特征，構(gòu)建多傳感器檢測試

2、驗平臺，對焊接過程狀態(tài)進行表征分析，明確典型缺陷狀態(tài)下不同特征參數(shù)間的相互作用規(guī)律，探索基于多傳感器信息融合的數(shù)據(jù)驅(qū)動檢測方法。
　　論文綜合比較了現(xiàn)有檢測方法的優(yōu)缺點，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場實際，重點研究光電傳感檢測技術(shù)、視覺成像檢測技術(shù)及光譜分析技術(shù)在激光焊接檢測領(lǐng)域的有效融合。針對多傳感器信息融合檢測技術(shù)，先后設(shè)計并搭建了:激光焊接不銹鋼單信號檢測平臺（第二章）、激光焊接不銹鋼2信號同步檢測平臺（第二章）、掃描激光焊接不銹鋼4信號同步

3、檢測平臺（第三章）、激光焊接高強鋼3信號同步檢測平臺（第四章）和激光焊接不銹鋼6信號同步檢測平臺（第五章、第六章）。所使用的傳感器包括可見光感應(yīng)光電傳感器、激光反射感應(yīng)光電傳感器、光譜分析儀、近紅外成像高速攝像機、可視域成像高速攝像機、輔助光成像高速攝像機、X射線成像高速攝像機。
　　首先，對單一傳感器在激光焊接領(lǐng)域的檢測功能進行初步嘗試，分別研究光電傳感器、近紅外視覺傳感器及可視域視覺傳感器在光輻射特性、焊縫位置偏離及熔池表面缺

4、陷檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)果表明，光輻射信號的中頻分量和高頻分量對焊接工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、聚焦位置）的變化較為敏感。近紅外熱像的差分運算可以為焊縫偏差自適應(yīng)卡爾曼濾波預(yù)測提供可靠的位置參數(shù)，反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效補償濾波算法的整體誤差。延遲識別算法可準確提取熔池表面金屬蒸汽及飛濺的特征，為激光焊接過程缺陷判定提供有效的參考依據(jù)。
　　其次，分別利用信號驅(qū)動檢測及經(jīng)驗驅(qū)動檢測實現(xiàn)多傳感器信息的有效融合。在信號層面，試驗研究發(fā)現(xiàn)光電

5、傳感器的時域信號可有效檢測熔深的變化。而光電傳感器和視覺傳感器采集信號的低頻分量相關(guān)性可用以判斷全熔透狀態(tài)下的匙孔開閉狀態(tài)。并且通過試驗證明融合信號的低頻分量正相關(guān)性與焊接不穩(wěn)定狀態(tài)存在顯著關(guān)聯(lián)。在經(jīng)驗層面，通過增加傳感器的個數(shù)，對光強輻射、匙孔、熔池及金屬蒸汽等多個特征的提取，可以明顯提高支持向量機訓(xùn)練模型的分類精度，實現(xiàn)對于熔池表面不同塌陷程度的準確識別。
　　最后，通過6信號同步檢測試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)對激光焊接過程的多態(tài)參數(shù)準確

6、測量，明確了匙孔內(nèi)部聚焦能量密度對典型缺陷狀態(tài)的影響規(guī)律，及各狀態(tài)間轉(zhuǎn)換過程的參數(shù)非線性特征。此外，相關(guān)性分析研究結(jié)果表明，光學(xué)傳感器測量參數(shù)與體現(xiàn)焊接狀態(tài)的物理幾何參數(shù)密切相關(guān)。基于以上成果，研究基于模型、信號及經(jīng)驗的復(fù)合驅(qū)動焊接狀態(tài)檢測技術(shù)，利用低成本工業(yè)級傳感器替代高成本試驗級傳感器，實現(xiàn)激光焊接狀態(tài)參數(shù)的準確預(yù)測及焊后缺陷的有效識別。構(gòu)建多輸入多輸出非線性模型，以高速視覺成像測量到的匙孔幾何形態(tài)參數(shù)作為焊接過程模型的辨識依據(jù)。將

7、光電傳感器及分光儀采集的高頻信號作為信號驅(qū)動的輸入變量，利用小波包分解技術(shù)進行信號多尺度時頻分析，并結(jié)合非線性模型輸出的特征向量構(gòu)成特征選擇的輸入?yún)⒄?。形成具有向量獨立性的低維特征空間，用以經(jīng)驗驅(qū)動環(huán)節(jié)的特征輸入。經(jīng)驗驅(qū)動環(huán)節(jié)的輸出則以高速視覺成像測量到的飛濺及熔深特征為狀態(tài)預(yù)測的依據(jù)，而焊后的焊縫表面質(zhì)量則作為缺陷診斷的依據(jù)。
　　試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的復(fù)合驅(qū)動檢測技術(shù)，在模型辨識及訓(xùn)練完成后，只需工業(yè)級傳感器（光電傳感器及分光