基于光谱诊断的钛合金激光焊接熔深在线检测研究报告

本文由黄一鸣（天津大学材料科学与工程学院）、杨凯淞、佘昆、王小博（北京新风航天装备有限公司）、杨立军、李明宇等人合作完成，发表于《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》2024年第57卷第12期，题目为《基于光谱诊断的钛合金激光焊接熔深在线检测》。

学术背景

激光焊接作为一种高速激光加工过程，具有能量密度大、焊缝热影响区小和焊接效率高等特点，在钛合金焊接中具有很大优势。然而，激光与材料相互作用产生的等离子体会影响焊接质量，导致熔深波动，影响焊缝力学性能。因此，实现激光焊接过程中熔深的在线监测，为熔深实时控制提供数据支撑，对保证焊接稳定性和焊缝质量具有重要意义。但目前技术无法直接测量焊接过程中的熔深，需通过传感器获取与焊缝质量相关的声、热、电、光等信息，建立这些信号与熔深的关系来实现在线预测。

研究团队以此为目标，针对TC4钛合金激光焊接过程开展了基于等离子体光谱分析的熔深在线预测研究，旨在建立高精度的熔深预测模型，为激光焊接过程的熔深闭环控制提供理论依据。

研究流程与方法

研究主要包含以下几个关键步骤：

1. 实验系统搭建与材料准备

研究团队搭建了包含激光加工系统、数控运动系统和光谱传感测量系统的监测平台。采用JK2003SM型Nd:YAG固体激光器(波长1,064 nm)作为焊接光源，光谱仪型号为海洋光学Maya2000 Pro(测量范围350-800 nm，分辨率0.23 nm/pixel，采样频率50 Hz)。光纤探头以11°角部署，距离熔池中心175 mm。

实验材料为4 mm厚的TC4钛合金(主要成分Ti-6Al-4V)，焊接形式为平板自熔焊，保护气体为纯氩气，流量15 L/min，焊接速度10 mm/s，激光功率从800 W到1,300 W以100 W为增量变化。

2. 等离子体光谱信号处理

采集的光谱数据包含连续谱和线状谱，使用三次样条插值法去除连续谱影响，获得纯线状谱波形。识别并选择TiⅠ 499.11 nm、TiⅠ 500.10 nm、TiⅠ 500.72 nm、TiⅠ 506.47 nm、TiⅠ 519.30 nm和TiⅠ 521.04 nm六条谱线用于电子温度计算。通过Boltzmann图法和Saha方程计算等离子体电子温度和电子密度。

3. 熔深数据提取

开发了一种激光焊接熔深值连续提取方法： (1) 焊接后沿焊缝方向切开试件，腐蚀截面获得清晰的焊缝-母材边界； (2) 截除热影响区，转换图像为灰度图； (3) 二值化处理区分焊缝区和母材区； (4) 轮廓提取得到焊缝轮廓形状； (5) 上下轮廓点差计算求得熔深曲线。 数据处理时舍弃焊缝起始和结束各5 mm不稳定区域。

4. 数据分析与模型建立

分析了等离子体光谱特征与熔深的关联性，通过皮尔逊相关系数筛选特征，并采用t-SNE降维技术处理2,068维光谱数据。建立双层BP神经网络预测模型，输入为光谱特征，输出为熔深值，80%数据用作训练，20%用作测试。评估指标包括R²、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)。

主要研究结果

1. 不同焊接模式的特征比较

研究发现随着激光功率增加，焊接模式从热导焊(800-1,000 W)经临界过渡状态(1,100 W)转变为深熔焊(1,200-1,300 W)： - 热导焊模式：等离子体核心和高密度区在焊缝表面附近，熔深范围0.65-1.11 mm，深宽比0.52-0.55； - 过渡状态：熔深和熔宽急剧增大(1.89-2.52 mm)，波动显著，表明小孔形成不稳定，熔池流动剧烈； - 深熔焊模式：等离子体核心下移，熔深2.60-3.14 mm，深宽比0.80-0.94，电子温度和密度随功率增大而减小。

2. 等离子体热力学特性变化

电子温度和密度随激光功率的变化呈现相同趋势： - 800-1,100 W：电子温度从7,516.1 K升至7,708.3 K，电子密度从1.94×10¹⁷ cm⁻³升至2.26×10¹⁷ cm⁻³； - 1,200-1,300 W：电子温度降至7,438.9 K，电子密度降至1.78×10¹⁷ cm⁻³； - 1,100 W临界功率下，等离子体光谱强度和热力学参数均出现显著波动。

3. 熔深预测模型比较

建立了两种熔深预测模型： (1) 基于相关性分析的特征选择模型： 输入为395.97 nm、396.20 nm、399.18 nm和415.90 nm波长谱线强度 测试集R²=0.7463，RMSE=0.0303，MAE=0.0238

(2) 基于t-SNE降维的预测模型： 将2,068维数据降至4维 测试集R²=0.9052，RMSE=0.0194，MAE=0.0146

研究结论

本研究的主要贡献包括： 1. 明确了不同激光功率下钛合金激光焊接等离子体热力学特性的演变规律，揭示了热导焊向深熔焊转变过程中的临界状态特征；

1. 证明了等离子体光谱数据与熔深变化存在显著相关性，建立了可靠的关联；

2. 开发了基于数据降维的高精度熔深预测模型(RMSE=0.0194)，相较原始光谱特征模型精度明显提升；

3. 为激光焊接熔深的实时反馈控制提供了理论基础，推动了智能化焊接技术的发展。

研究亮点

1. 方法创新：首次将t-SNE降维技术应用于激光焊接光谱数据分析，有效提升了熔深预测精度；

2. 系统全面：从等离子体特性分析到熔深预测模型建立，形成了完整的研究链条；

3. 工程价值：所建立的高精度预测模型可直接用于工业焊接质量控制；

4. 理论贡献：揭示了钛合金激光焊接等离子体特征与熔深的内在关系。

其他有价值内容

研究还发现： - TiⅠ 506.47 nm谱线强度可作为工艺监控的有效指标； - 1,100 W为热导焊向深熔焊转变的临界功率，在该参数下各种特征均出现突变； - 焊缝端部5 mm区域的熔深数据因激光热源停留效应而偏离正常值，应排除在分析之外； - 等离子体电子温度和电子密度具有相同的波动规律，共同反映等离子体的热力学状态变化。