本研究由哈尔滨焊接研究所的孙谦、王旭友、李小宇、徐富家以及湖南省特种设备检验检测研究院的廖盈共同完成，发表于2016年6月的《焊接学报》（Transactions of the China Welding Institution）第37卷第6期。该研究聚焦激光焊接过程中等离子体动态行为与气孔缺陷的快速检测方法，提出了基于等离子体面积信号分布特征的定量化检测技术，为激光焊接质量在线监测提供了新思路。

学术背景

激光焊接过程中，等离子体（plasma）的形态变化与小孔稳定性密切相关，而小孔失稳是导致气孔缺陷（porosity defects）的主要原因之一。传统检测方法（如高速摄像信号时域分析）受随机干扰影响大，难以直接关联焊接质量。文献[1]提出了一种基于概率统计的等离子体信号整体分析方法（global analysis method），可有效去除噪声干扰，但尚未明确其与气孔缺陷的定量关系。本研究旨在通过提取等离子体信号分布中的特征参数（基值与躁动值），建立气孔缺陷的快速检测模型。

研究流程

1. 实验设计与数据采集

• 研究对象：4 mm厚6061-T6铝合金，采用三种焊接工艺：非扫描激光焊（功率4 kW）、大离焦激光焊（离焦量+10 mm）、圆形轨迹扫描激光焊（半径0.6 mm，频率120 Hz）。
  
• 等离子体监测：通过FastCam Ultima 512高速摄像机（5000帧/秒，分辨率256×128像素）捕捉等离子体形态，提取面积信号（像素点数量）。
  
• 信号处理：采用文献[1]的整体分析方法，对信号进行概率密度分布建模（图1），避开时域信号的随机波动问题。
  

2. 特征参数提取方法开发

• 基值（baseline value）：定义为等离子体面积信号概率密度分布峰值对应的信号强度（式1），反映焊接过程的准稳态平衡状态，其数值与实际焊接条件（如能量输入）直接相关。
  
• 躁动值（restless parameter）：通过积分计算信号对基值的偏离程度（式2），包含比例调节常数c和距离权重d(k)，量化等离子体波动强度。理论依据在于小孔失稳会引发等离子体信号剧烈波动，而气孔缺陷与小孔失稳呈强相关性。
  

3. 验证实验设计

• 多工艺对比试验：对比无摆动焊（气孔率9.46%）、大光斑焊（0.8%）、扫描焊（0.1%）的躁动值差异，证实躁动值与气孔率趋势一致（图3）。
  
• 扫描频率梯度试验：固定其他参数（功率4 kW、离焦量0 mm），调整扫描频率（60-240 Hz），通过Origin软件拟合躁动值与气孔率的线性关系（图4，R²未提供但图示显著正相关）。
  

主要结果

1. 基值的工艺关联性：大光斑焊中，基值曲线成功捕获了从热导焊向深熔焊的转变（图3b），验证其表征焊接条件的能力。
   
2. 躁动值的缺陷敏感性：无摆动焊的躁动值波动幅度显著高于其他两种工艺（图3a），与实测气孔率（9.46% vs. 0.1%-0.8%）高度吻合。
   
3. 定量模型：扫描频率试验中，躁动值与气孔率呈线性关系（图4），表明该方法可识别微小工艺参数变化对气孔的影响。
   

结论与价值

1. 理论贡献：提出基值和躁动值双参数模型，首次将等离子体信号分布特征与小孔稳定性、气孔缺陷定量关联，弥补了时域分析法的不足。
   
2. 应用价值：开发了一种无需破坏性检测的气孔快速判断方法，尤其适用于高精度要求的铝合金激光焊接（如航空航天领域）。
   
3. 技术创新：通过概率密度积分量化信号波动（躁动值），避免了传统阈值设定的主观性，提升了检测鲁棒性。
   

研究亮点

• 方法论创新：将信号整体分布模型引入焊接缺陷检测，突破了时域分析的局限性。
  
• 跨学科融合：结合光学监测（高速摄像）、概率统计（密度函数）与焊接物理（小孔动力学），为在线质量控制提供多维度指标。
  
• 工程适用性：试验覆盖三种典型工艺，验证了方法普适性；线性模型简化了工业现场的参数标定流程。
  

其他价值

该研究团队已申请相关发明专利（CN201310459378.3、CN201310459376.4），为技术转化奠定基础。未来可进一步探索其他材料（如高强钢）与复杂轨迹（如三维扫描）下的参数适应性。

注：文献[1]为作者团队前期工作（王旭友等，2016），已在文中明确引用。