王旭友（Wang Xuyou）、孙谦（Sun Qian）、王威（Wang Wei）、李小宇（Li Xiaoyu）等研究人员来自哈尔滨焊接研究所，于2016年3月在《焊接学报》（Transactions of the China Welding Institution）第37卷第3期发表了题为《激光焊接中的等离子体变化规律及气孔缺陷快速测试方法——检测信号整体分析方法》的研究论文。该研究针对激光焊接过程中气孔缺陷的检测难题，提出了一种基于等离子体信号整体分析的新方法，为工业激光焊接质量控制提供了重要技术支撑。

学术背景

激光焊接作为现代工业中的先进特种焊接工艺，因其高效、精密的特点被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。然而，激光焊接过程中易因小孔（keyhole）失稳或坍塌导致工艺类气孔（process-induced porosity）的形成，严重影响焊缝的力学性能。传统的气孔检测方法（如X射线探伤）难以实现实时监控，而间接信号（如声、光、电信号）因等离子体（plasma）的剧烈波动和随机干扰，分析难度极大。因此，本研究旨在通过等离子体形态的动态分析，建立一种快速、准确的气孔缺陷检测方法。

研究流程与方法

1. 试验设计与设备
   研究选用德国TRUMPF TruDisk 6002激光器，搭配可编程聚焦镜组（PFO）。试验材料为4 mm厚的6061-T6铝合金，焊接参数设定为激光功率4 kW、保护气体（Ar）流量20 L/min、焊接速度2 m/min、离焦量0 mm。为对比不同工艺效果，研究采用了非扫描激光焊接和圆形路径扫描激光焊接两种模式。

2. 等离子体动态观测与信号采集
   通过高速摄像（Fastcam UHi系列）记录等离子体的喷射过程，并利用图像处理技术提取等离子体面积信号的线性轨迹（liner track）。研究发现，等离子体信号的线性分布呈现非稳态、非对称、无周期性的特点，且与实际焊接质量无直接对应关系，表明传统线性分析方法存在局限性。

3. 信号整体分析方法开发
   为克服随机干扰，研究提出了一种创新的整体分析法（whole distribution analysis method）：

   • 信号分布特征提取：将等离子体面积信号的线性轨迹去除，分析其空间分布特征。发现信号在不同强度区间的分布密度存在显著差异，表现为中间区域密集、两端稀疏。
     
   • 概率密度建模：通过数学建模将信号转化为概率密度分布模型（图5），提取特征参数（如峰值位置、曲率变化、区间范围等）。该方法成功消除了随机噪声，使模型具有高度可重复性（图6）。
     

4. 模型验证与应用
   通过对比不同焊接条件（如扫描频率、摆动半径）下的模型特征（图7），发现模型参数与焊接工艺显著相关。例如，扫描焊接的分布区间较非扫描焊接更集中，且峰值位置偏移。这一关联性证实了整体分析法可用于快速识别等离子体形态异常，进而预测气孔缺陷。

主要结果

1. 等离子体信号的空间分布规律：信号在概率密度模型中呈现单峰或双峰分布，峰值位置和区间范围直接反映小孔稳定性。例如，气孔缺陷易发时，模型曲率突变且分布区间扩大（图7d）。
   
2. 方法的鲁棒性：相同工艺下的重复试验显示模型高度一致（图6），验证了方法的可重复性；不同工艺的模型差异显著（图7），证明了方法的灵敏性。
   
3. 与气孔缺陷的关联性：通过模型参数（如拐点出现）可间接判定小孔失稳导致的金属蒸汽或保护气体卷入，从而预警气孔形成。
   

结论与价值

1. 理论意义：揭示了等离子体信号整体分布与焊接条件的定量关系，丰富了激光焊接过程监控的理论基础。
   
2. 应用价值：整体分析法无需复杂算法即可实现实时质量控制，为工业现场提供了低成本、高效率的缺陷检测方案。
   
3. 技术突破：解决了传统信号处理方法对随机干扰敏感的难题，