基于等离子体特征信号的激光焊接过程动态监控技术研究进展

摘要：

在大功率激光焊接过程中，激光辐照金属材料气化而产生等离子体，影响激光能量与工件之间的耦合，从而最终直接影响到激光焊接质量。光致等离子体的研究是大功率深熔焊领域的一个热点，也是焊接过程质量检测自动化中一个很有潜力的研究方向。近年来，基于等离子体特征信号的激光焊接过程动态监控技术研究主要集中在等离子体信号检测和激光焊接过程建模的方向。介绍了激光焊接中的光致等离子体行为，并对基于等离子体特征信号的激光焊接过程动态监控技术的国内外研究现状进行了分析，总结了目前该领域存在的问题，提出了未来的发展方向。

关键词：模式识别；光致金属蒸气特征；大功率激光焊；最小二乘支持向量回归；多核学习

中图分类号：TP391文献标志码：A

Abstract：

During the highpower laser welding process， plasmas are induced by the evaporation of metal under laser radiation， which can affect the coupling of laser energy and the workpiece， and ultimately impact on the reliability of laser welding quality and process directly. The research of laserinduced plasma is a focus in highpower deep penetration welding field， which provides a promising research area for realizing the automation of welding process quality inspection. In recent years， the research of laser welding process dynamic monitoring technology based on plasma characteristics is mainly in two aspects， namely the research of plasma signal detection and the research of laser welding process modeling. The laserinduced plasma in the laser welding is introduced， and the related research of laser welding process dynamic monitoring technology based on plasma characteristics at home and abroad is analyzed. The current problems in the field are summarized， and the future development trend is put forward.

Keywords：

pattern recognition； characteristics of laserinduced metal vapor； highpower laser welding； least squares support vector regression； multiple kernel learning

大功率激光器技術使激光焊接不断应用于新的领域，并对以匙孔效应为理论基础的深熔焊的发展起到巨大的推进作用[12]。由于大功率激光焊接具有高质量、高精度、低变形、高效率和高速度等焊接优点，对厚钢板焊接、铜材焊接以及各种需要高功率激光的焊接工况具有特别大的优势，使其在汽车工业、航空航天、核电、高速铁路、输油气管线以及造船行业等工业领域的应用越来越广。

工业生产中激光焊接过程的自动化与智能化是今后发展的趋势，而对焊接的过程质量控制与焊缝的检测是实现生产自动化的基础[34]。但目前对这两方面的研究还亟待完善和深化发展。虽然已有部分研究应用计算机视觉检测焊缝表面缺陷，但离焊接过程的质量检测自动化与智能化的目标还有很长的距离。如何完善和深化基础试验研究，并把实验室成果应用于实际生产领域，是人们未来的研究方向。

在大功率激光焊接过程中，高能量密度的激光束辐射工件表面，金属材料获得激光能量后熔化蒸发，蒸气云团向上迅速逸出工件表面，热电离后，形成等离子体。此时，高温下的金属蒸气，其实质是一种处于弱电离的光致等离子体[5]。等离子体形成之后，会对入射光束产生反射、散射、吸收等作用，并会对激光束形成屏蔽效应，从而影响激光能量与工件之间的耦合，光致等离子体具有一定的周期性，一般来说，等离子体振动的机理如图1所示。

对光致等离子体的研究是大功率深熔焊领域的一个热点[2，68]，也是焊接过程质量检测自动化中一个很有潜力的研究方向。

1国内外研究现状及发展动态分析

自从激光技术得以应用于加工领域以来，激光等离子体就吸引了国内外科研工作者的广泛关注。人们对激光等离子体的物理特性、测量及控制方法进行了大量研究。近年来，基于等离子体特征信号的激光焊接过程动态监控技术研究主要集中在2个方面：等离子体信号检测和激光焊接过程建模。

1.1等离子体特征信号检测与分析的研究现状

在大功率激光深熔焊过程中，激光与材料相互作用区不同的物理效应能够发射出各种不同的可用于检测的信号[9]。这些信号主要包括：

1）由等离子体生成的较大波长范围的电磁辐射；

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