激光焊接與切割質(zhì)量控制

前言

激光是20世紀人類的偉大發(fā)明，激光在焊接中的應(yīng)用極大地推動了焊接技術(shù)的革新和發(fā)展，激光焊接正越來越顯示出它顯著的優(yōu)越性和很強的生命力，被越來越廣泛地應(yīng)用和更深入地研究。影響激光焊接技術(shù)發(fā)展的一個重要因素是如何確保快速的激光焊接過程的穩(wěn)定性和質(zhì)量的可靠性，從這個意義上來說，除了激光器和光學(xué)系統(tǒng)的因素之外，對激光焊接質(zhì)量的實時檢測與控制顯得尤為重要。1992年，在清華大學(xué)機械系時任領(lǐng)導(dǎo)的規(guī)劃和支持下，本書作者陳武柱教授負責(zé)建立了激光加工研究中心，十余年來他一直致力于激光焊接領(lǐng)域的科研、教學(xué)和研究生培養(yǎng)工作，尤其對激光焊接與切割質(zhì)量的檢測與控制，進行了較深入的研究，取得了較好的成果。本書核心內(nèi)容取材于作者的研究成果，其中所涉及的三種激光焊接過程的分析、焊接不穩(wěn)定性的監(jiān)測與控制、小孔型氣孔的抑制方法、激光束焦點位置的尋優(yōu)與控制、激光深熔焊及復(fù)合焊熔透檢測與控制、激光切割質(zhì)量檢測與控制等內(nèi)容，都是實踐中提出的重要問題，也是激光焊接和切割技術(shù)發(fā)展的前沿課題。將這些內(nèi)容整理、歸納、總結(jié)成書，不僅對從事激光焊接與切割的工作者有很好的參考價值，對從事其他激光加工行業(yè)、其他焊接方法質(zhì)量檢測與控制的研究也有啟迪作用。全書除第1章綜述激光焊接的理論和技術(shù)基礎(chǔ)外，其余各章對相關(guān)的工藝方法、控制對象的特點、影響因素、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了分析，對檢測與控制原理、系統(tǒng)、技術(shù)關(guān)鍵和控制效果進行了較詳盡的介紹，較好地體現(xiàn)了系統(tǒng)性、實用性和先進性的統(tǒng)一。相信本書的出版將有助于激光焊接的深入研究和推廣應(yīng)用，我愿熱忱向讀者推薦本書。

內(nèi)容概要

　　《激光焊接與切割質(zhì)量控制》以作者在激光焊接與切割領(lǐng)域的研究和應(yīng)用成果為基礎(chǔ)，論述控制激光焊接與切割質(zhì)量的工藝措施、自動控制技術(shù)及其基本原理。內(nèi)容包括：激光焊接的理論基礎(chǔ)和工藝基礎(chǔ)知識；激光深熔焊中成形不穩(wěn)定性和小孔型氣孔兩種缺陷產(chǎn)生的機理、數(shù)學(xué)物理模型、抑制方法以及工程中獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的成功范例；光束焦點位置和深熔焊熔透狀態(tài)的實時檢測和閉環(huán)控制的原理、系統(tǒng)、技術(shù)關(guān)鍵和控制效果，提供兼有先進性和實用性的高水平控制方法；激光填絲焊、激光?gma復(fù)合焊和激光切割三種工藝方法的原理、工藝特點、影響加工質(zhì)量的因素及實現(xiàn)質(zhì)量實時控制的新方法?！都す夂附优c切割質(zhì)量控制》力圖從理論和實際的結(jié)合上對以上涉及加工質(zhì)量的主要問題進行綜合論述，書中匯集了反映該領(lǐng)域目前國際水平的技術(shù)資料?！　　都す夂附优c切割質(zhì)量控制》可作為研究激光焊接、切割和各種激光加工方法的教師、研究生和大學(xué)生的參考書和教材，也可作為從事相關(guān)激光加工技術(shù)和加工設(shè)備設(shè)計制造的工程技術(shù)人員的參考資料，還可供從事高能束加工和電弧焊方法研究和應(yīng)用的科技人員、研究生參考。

作者簡介

陳武柱，1963年清華大學(xué)機械工程系焊接專業(yè)畢業(yè)并留校任教，現(xiàn)為清華大學(xué)教授、博士研究生導(dǎo)師，曾任清華大學(xué)機械工程系學(xué)術(shù)委員會主任等職。研究方向為焊接方法、設(shè)備及過程控制。1992年負責(zé)建立激光加工研究中心，從此主要從事激光焊接與切割領(lǐng)域的科研、教學(xué)和研究生培養(yǎng)工作。先后負責(zé)并完成國家自然科學(xué)基金、國家重點科技攻關(guān)、國家重點基礎(chǔ)研究（973子項）、航天工程、國際合作、清華大學(xué)重點研究基金及重點企業(yè)橫向合作等研究項目30余項，完成核供熱堆鋯燃料盒、超級超導(dǎo)對撞機量能器晶體支撐單元等高精度、高難度激光焊接構(gòu)件的試制任務(wù)，本書核心內(nèi)容即為其中部分成果的理論和技術(shù)總結(jié)。曾獲國家發(fā)明一等獎、北京市科技成果二等獎，一項國家級新產(chǎn)品，多項中國發(fā)明專利。在國內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文180多篇。

書籍目錄

序前言第1章 激光焊接理論基礎(chǔ)11.1 引言11.2 材料對激光的吸收11.2.1 材料吸收激光的一般規(guī)律11.2.2 金屬對激光的吸收41.3 激光作用下材料的物態(tài)變化和焊接模式71.3.1 激光作用下材料的物態(tài)變化71.3.2 兩種激光焊接模式81.4 光致等離子體及其對焊接質(zhì)量的影響121.4.1 光致等離子體的產(chǎn)生121.4.2 光致等離子體的特征141.4.3 光致等離子體與激光的相互作用181.4.4 光致等離子體的控制211.4.5 光致等離子體的光、聲、電信號與質(zhì)量監(jiān)測241.5 小孔效應(yīng)271.5.1 小孔的產(chǎn)生與發(fā)展271.5.2 小孔內(nèi)激光能量的吸收271.5.3 小孔內(nèi)的壓力平衡291.5.4 小孔的不穩(wěn)定性和小孔型氣孔的產(chǎn)生30參考文獻31第2章 激光焊接工藝基礎(chǔ)和不穩(wěn)定性控制342.1 引言342.2 影響激光焊接質(zhì)量的主要因素342.2.1 焊接設(shè)備352.2.2 工件狀況362.2.3 焊接參數(shù)362.3 焊接參數(shù)對焊縫成形和過程不穩(wěn)定性的影響372.3.1 焊接參數(shù)對焊接過程及成形的影響——兩種焊接模式和三種焊接過程372.3.2 多參數(shù)對焊接模式的綜合影響402.4 三種激光焊接過程的機理及模式轉(zhuǎn)變曲線數(shù)學(xué)模型422.4.1 三種激光焊接過程的產(chǎn)生機理分析422.4.2 雙u形激光焊接模式轉(zhuǎn)變曲線的理論模型462.4.3 雙u形模式轉(zhuǎn)變理論曲線的實驗驗證與模型修正482.5 激光焊接過程穩(wěn)定性的實時監(jiān)測502.5.1 激光焊接過程監(jiān)測用傳感器502.5.2 激光焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)522.5.3 焊接過程穩(wěn)定性的實時監(jiān)測532.6 雙u形模式轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用和焊接工藝制定實例552.6.1 雙u形模式轉(zhuǎn)變曲線應(yīng)用中的問題552.6.2 激光焊接工藝制定和質(zhì)量控制實例57參考文獻62第3章 小孔型氣孔的產(chǎn)生及抑制方法653.1 引言653.2 小孔型氣孔的特征及其產(chǎn)生機理663.2.1 小孔的動態(tài)行為與小孔型氣孔的產(chǎn)生663.2.2 小孔型氣孔的形狀和分布特征683.2.3 氣泡產(chǎn)生的模型683.3 影響小孔型氣孔的因素693.3.1 小孔穿透狀態(tài)的影響693.3.2 激光功率的影響713.3.3 激光束傾角的影響713.3.4 激光脈沖調(diào)制頻率和波形的影響723.3.5 保護氣體種類的影響743.3.6 激光-電弧復(fù)合焊的影響783.4 抑制和減少小孔型氣孔的方法793.5 較低功率薄板焊接時小孔型氣孔的產(chǎn)生與防治803.5.1 背景803.5.2 低功率薄板焊接時小孔型氣孔的特征803.5.3 連續(xù)激光焊接參數(shù)對氣孔率的影響813.5.4 激光脈沖調(diào)制頻率對氣孔率的影響規(guī)律及其機理分析853.5.5 小孔型氣孔抑制方法的選擇893.6 小孔型氣孔抑制方法的工程應(yīng)用903.6.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工程背景903.6.2 技術(shù)方案實施流程和驗證試驗913.6.3 正式產(chǎn)品批量施焊的效果92參考文獻93第4章 激光束焦點位置尋優(yōu)與控制964.1 引言964.2 引起激光束焦點位置波動的主要因素964.2.1 透鏡-工件距離的變化974.2.2 熱透鏡效應(yīng)974.2.3 飛行光路中不同光程的影響1004.2.4 小結(jié)1014.3 激光束焦點位置檢測與控制發(fā)展現(xiàn)狀1024.3.1 高度跟蹤傳感器1024.3.2 自適應(yīng)光束焦點調(diào)節(jié)系統(tǒng)1034.3.3 激光焊接焦點位置的檢測與控制1044.3.4 現(xiàn)有控制方法的局限性和自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的提出1054.4 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制原理分析1064.4.1 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)所用傳感器1064.4.2 焦點位置自尋優(yōu)控制原理1074.4.3 噴嘴-工件距離閉環(huán)控制原理1104.5 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)1154.5.1 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能1154.5.2 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成1154.5.3 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1174.5.4 焦點位置自尋優(yōu)雙閉環(huán)控制的效果1204.5.5 小結(jié)123參考文獻124第5章 激光深熔焊熔透的實時檢測與控制1275.1 引言1275.2 激光焊接熔透狀態(tài)的分類和特征1285.3 co2激光深熔焊熔透同軸檢測系統(tǒng)1295.3.1 基于ps的同軸熔透檢測系統(tǒng)1295.3.2 基于視覺傳感器（vs）的同軸熔透檢測系統(tǒng)1315.4 co2激光深熔焊熔透狀態(tài)的實時識別1335.4.1 利用同軸ps信號的時域特征識別熔透狀態(tài)1335.4.2 利用同軸ps信號的頻域特征識別熔透狀態(tài)1395.4.3 利用小孔圖像的灰度分布特征識別熔透狀態(tài)1425.4.4 小結(jié)1465.5 co2激光深熔焊熔透的閉環(huán)控制1475.5.1 控制方案分析1475.5.2 熔透閉環(huán)控制系統(tǒng)的建立1475.5.3 平板熔透閉環(huán)控制1475.5.4 斜板熔透閉環(huán)控制150參考文獻154第6章 填絲激光焊及焊縫成形自適應(yīng)控制1566.1 引言1566.2 填絲激光焊的特點和應(yīng)用1566.3 激光束和焊絲的相互作用1586.3.1 焊絲對激光的吸收、反射和被透射1586.3.2 影響焊絲熔化的因素1596.4 填絲激光焊焊接參數(shù)的選擇與匹配1626.4.1 送絲速度與焊接速度的匹配1626.4.2 送絲速度與焊接速度的許用范圍1636.4.3 坡口間隙變化時的焊接參數(shù)調(diào)節(jié)1646.5 用于坡口狀態(tài)實時檢測的傳感器1656.5.1 基于三維視覺的坡口檢測傳感器1656.5.2 基于線陣ccd的坡口檢測傳感器1676.5.3 掃描式laser-psd傳感器1676.6 填絲激光焊焊縫成形質(zhì)量自適應(yīng)控制1706.6.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成1706.6.2 焊縫成形自適應(yīng)控制實驗171參考文獻173第7章 激光-gma復(fù)合焊及熔透控制1747.1 引言1747.2 激光-gma復(fù)合焊的特點和應(yīng)用1747.3 激光-gma復(fù)合焊接參數(shù)對焊縫成形的影響1797.3.1 激光功率對熔深、熔寬的影響1797.3.2 gma電流對熔深、熔寬的影響1807.3.3 激光與電弧間距離（dla）對熔深、熔寬的影響1817.3.4 焊接速度對熔深的影響1827.4 激光-gma復(fù)合焊接參數(shù)對熔透狀態(tài)的影響1827.4.1 評價激光-gma復(fù)合焊熔透狀態(tài)的指標1827.4.2 激光功率對熔透狀態(tài)的影響1837.4.3 gma電流對熔透狀態(tài)的影響1847.4.4 焊接速度對熔透狀態(tài)的影響1857.4.5 坡口間隙對熔透狀態(tài)的影響1867.4.6 小結(jié)1877.5 復(fù)合焊熔透狀態(tài)視覺檢測方法1877.5.1 復(fù)合焊熔透檢測方法的選擇1877.5.2 熔池背面視覺檢測系統(tǒng)1887.5.3 熔池背面視覺檢測關(guān)鍵技術(shù)1887.6 復(fù)合焊熔池背面圖像處理算法1947.6.1 坡口間隙寬度檢測算法1957.6.2 熔池圖像特征分析和熔寬檢測算法1967.7 復(fù)合焊熔透狀態(tài)閉環(huán)控制2057.7.1 控制方案分析2057.7.2 復(fù)合焊熔透閉環(huán)控制系統(tǒng)2067.7.3 復(fù)合焊熔透閉環(huán)控制的效果208參考文獻211第8章 激光切割及其質(zhì)量檢測與控制2148.1 引言2148.2 激光切割的特點2148.3 激光切割的分類及機理2158.3.1 汽化切割2158.3.2 熔化切割2158.3.3 反應(yīng)熔化切割2158.3.4 控制斷裂切割2168.4 激光切割質(zhì)量的評價指標2168.4.1 評價切割質(zhì)量的主要指標2168.4.2 切割面粗糙度的評價基準2178.5 影響激光切割質(zhì)量的主要因素2198.5.1 激光切割系統(tǒng)性能對切割質(zhì)量的影響2198.5.2 激光切割參數(shù)對切割質(zhì)量的影響2228.6 激光切割質(zhì)量實時檢測方法2238.6.1 激光切割質(zhì)量實時檢測方法的選擇2238.6.2 基于切割前沿圖像的缺陷識別2258.6.3 基于火花簇射圖像的切割面近下緣粗糙度檢測2298.7 實用化的切割面粗糙度檢測方法——火花簇射同軸視覺檢測與圖像處理2378.7.1 火花簇射同軸視覺檢測可行性分析2378.7.2 火花簇射同軸視覺檢測的圖像算法2398.7.3 火花簇射同軸圖像特征參數(shù)與切割面粗糙度的關(guān)系2418.8 激光切割質(zhì)量自尋優(yōu)控制2438.8.1 控制方案設(shè)計2438.8.2 激光切割質(zhì)量實時檢測與控制系統(tǒng)2458.8.3 自尋優(yōu)控制過程及效果246參考文獻252

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《激光焊接與切割質(zhì)量控制》：特色：《激光焊接與切割質(zhì)量控制》以作者在激光焊接與切割領(lǐng)域的研究和應(yīng)用成果為基礎(chǔ)，論述控制激光焊接與切割質(zhì)量的工藝措施、自動控制技術(shù)及其基本原理?！都す夂附优c切割質(zhì)量控制》中匯集了目前激光焊接與切割領(lǐng)域國際水平的技術(shù)資料?！都す夂附优c切割質(zhì)量控制》理論結(jié)合實際，對激光焊接與切割的加工質(zhì)量的主要問題進行綜合論述?！都す夂附优c切割質(zhì)量控制》可作為研究激光焊接、切割和各種激光加工方法的教師、研究生和大學(xué)生的參考書和教材，也可作為從事相關(guān)激光加工技術(shù)和加工設(shè)備設(shè)計制造的工程技術(shù)人員的參考資料，還可供從事高能束加工和電弧焊方法研究和應(yīng)用的科技人員、研究生參考。

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