《光谱学与光谱分析》2025年2月第45卷第2期刊载了由余昆（天津大学电气自动化与信息工程学院、广东省特种设备检测研究院）、李冬辉（天津大学）、杨凯淞、杨立军（天津大学材料科学与工程学院，天津市现代连接技术重点实验室）、刘金平（中国核工业二三建设有限公司）、黄一鸣（天津大学）团队合作完成的原创性研究论文《基于光谱诊断的窄间隙激光填丝焊气孔缺陷检测研究》。该研究聚焦核电领域大型厚壁构件焊接质量控制难题，针对窄间隙激光填丝焊工艺中因污染物引发的气孔缺陷，创新性地开发了基于等离子体光谱分析的在线检测系统。
学术背景
窄间隙激光焊接技术因其热输入低、效率高、残余应力小等优势，已成为核电厚壁构件核心连接工艺。然而现场施焊环境中，母材表面残留的水、油等污染物易导致焊缝产生冶金型气孔，传统X射线探伤等离线检测方法存在时效性差、受结构限制等问题。尽管声发射、高速摄像等在线监测技术已在平板焊接中有所应用，但窄间隙工况下受坡口空间限制难以实施。光谱诊断技术（spectral diagnosis）通过解析等离子体辐射光谱，可获取电子温度、电子密度等关键参数，为揭示污染物-等离子体-缺陷的关联机制提供了新途径。本研究旨在建立光谱特征与气孔缺陷的定量关系，开发实时预警系统。
研究流程与方法
实验系统构建
研究团队设计了一套集成机器人（发那科M-10iA）、6kW光纤激光器（YLS-6000-S2T-Y16）和光纤光谱仪（AvaSpec-ULS4096CL-EVO，分辨率0.18nm）的监测平台。光谱仪波段（220-487nm）覆盖铁原子特征谱线区间，光纤探头固定在距熔池5mm处，积分时间设为20ms。试件采用A36碳钢（250×100×20mm），坡口角度5°，钝边高度6mm。
实验设计
- 自熔焊参数优化：设置6组工艺参数（激光功率4.5kW，焊接速度7-16mm/s，保护气流量0-120L/min），每组重复2次，通过X射线探伤评估气孔率，筛选最优参数用于后续填丝焊。
- 填丝焊对比试验：固定焊接速度8mm/s、送丝速度7.5m/min，进行4次正常工况和8次污染工况（预置水/油）焊接。
- 光谱采集与分析：同步采集等离子体辐射光谱，采用Boltzmann作图法计算电子温度（公式1），通过Stark展宽法（公式2）求取电子密度，验证局部热力学平衡（LTE）状态。
数据分析方法
- 光谱特征提取：选取FeI 388.646nm、422.627nm等6条特征谱线，分析其强度与缺陷的关联性。
- 机器学习建模：构建800组样本（400组缺陷/400组正常），对比原始4096维数据与PCA/t-SNE降维后的4维数据在神经网络中的预测效果，隐含层节点数设为10。
- 软件开发：基于C#开发实时检测系统，集成光谱分析、特征提取与缺陷预警功能。
主要发现
- 等离子体特性差异：窄间隙工况下等离子体受侧壁拘束，光谱强度较平板焊降低30%-40%。填丝焊因激光能量损耗（反射/散射），电子温度（7201.1K）和电子密度（5.2797×10¹⁵cm⁻³）均低于自熔焊（7413.3K，5.6714×10¹⁵cm⁻³）。
- 污染物影响机制：母材表面存在水时，光谱全波段强度下降20%-50%，电子温度降低至6900-7200K，但电子密度增至8.4193×10¹⁵cm⁻³，证实水分电离导致自由电子增加。X射线显示水污染工况下气孔呈虫链状密集分布（图4c），而油污染虽无表面气孔，但内部仍存在隐蔽缺陷。
- 预测模型性能：PCA降维后神经网络准确率达99.6%，优于原始数据（97.6%）和t-SNE（95.8%）。开发的在线系统实现90%识别准确率与0.1s响应速度（图9）。
研究价值
- 科学层面：首次阐明窄间隙焊接中污染物-等离子体-气孔缺陷的三元作用机制，突破传统仅关注熔池动态的局限。
- 技术层面：开发的光谱诊断系统为核电厚壁构件焊接质量实时监控提供了新工具，相比离线检测效率提升90%以上。
- 应用层面：研究结果可直接指导核电现场焊接工艺优化，例如通过监测电子温度突变预警气孔风险，减少返修成本。
创新亮点
- 方法创新：将Boltzmann作图法与机器学习结合，建立首个窄间隙焊缝气孔光谱数据库。
- 技术突破：解决狭小坡口空间内等离子体信号采集难题，设计抗干扰光纤定位方案。
- 跨学科应用：首次将LIBS（激光诱导击穿光谱）技术中的Stark展宽分析法移植至激光焊接监测领域。
该研究得到国家自然科学基金（52201048）和中国博士后科学基金（2020M670651）资助，相关技术已申请发明专利。团队建议后续研究可拓展至铝合金等非铁基材料，并探索多光谱融合诊断策略。