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第1章　激光焊接理论基础 1

1.1 引言 1

1.2　材料对激光的吸收 1

1.2.1　材料吸收激光的一般规律 1

1.2.2　金属对激光的吸收 4

1.3　激光作用下材料的物态变化和焊接模式 7

1.3.1　激光作用下材料的物态变化 7

1.3.2　两种激光焊接模式 8

1.4　光致等离子体及其对焊接质量的影响 12

1.4.1　光致等离子体的产生 12

1.4.2　光致等离子体的特征 14

1.4.3 光致等离子体与激光的相互作用 18

1.4.4　光致等离子体的控制 21

1.4.5　光致等离子体的光、声、电信号与质量监测 24

1.5　小孔效应 27

1.5.1　小孔的产生与发展 27

1.5.2　小孔内激光能量的吸收 27

1.5.3　小孔内的压力平衡 29

1.5.4　小孔的不稳定性和小孔型气孔的产生 30

参考文献 31

第2章　激光焊接工艺基础和不稳定性控制 34

2.1 引言 34

2.2　影响激光焊接质量的主要因素 34

2.2.1　焊接设备 35

2.2.2　工件状况 36

2.2.3　焊接参数 36

2.3 焊接参数对焊缝成形和过程不稳定性的影响 37

2.3.1 焊接参数对焊接过程及成形的影响——两种焊接模式和三种焊接过程 37

2.3.2　多参数对焊接模式的综合影响 40

2.4　三种激光焊接过程的机理及模式转变曲线数学模型 42

2.4.1 三种激光焊接过程的产生机理分析 42

2.4.2　双U形激光焊接模式转变曲线的理论模型 46

2.4.3　双U形模式转变理论曲线的实验验证与模型修正 48

2.5　激光焊接过程稳定性的实时监测 50

2.5.1　激光焊接过程监测用传感器 50

2.5.2　激光焊接过程监测系统 52

2.5.3　焊接过程稳定性的实时监测 53

2.6　双U形模式转变曲线的应用和焊接工艺制定实例 55

2.6.1 双U形模式转变曲线应用中的问题 55

2.6.2　激光焊接工艺制定和质量控制实例 57

参考文献 62

第3章　小孔型气孔的产生及抑制方法 65

3.1 引言 65

3.2　小孔型气孔的特征及其产生机理 66

3.2.1 小孔的动态行为与小孔型气孔的产生 66

3.2.2　小孔型气孔的形状和分布特征 68

3.2.3　气泡产生的模型 68

3.3　影响小孔型气孔的因素 69

3.3.1　小孔穿透状态的影响 69

3.3.2　激光功率的影响 71

3.3.3　激光束倾角的影响 71

3.3.4　激光脉冲调制频率和波形的影响 72

3.3.5　保护气体种类的影响 74

3.3.6　激光-电弧复合焊的影响 78

3.4　抑制和减少小孔型气孔的方法 79

3.5　较低功率薄板焊接时小孔型气孔的产生与防治 80

3.5.1　背景 80

3.5.2　低功率薄板焊接时小孔型气孔的特征 80

3.5.3　连续激光焊接参数对气孔率的影响 81

3.5.4　激光脉冲调制频率对气孔率的影响规律及其机理分析 85

3.5.5　小孔型气孔抑制方法的选择 89

3.6　小孔型气孔抑制方法的工程应用 90

3.6.1　产品结构及工程背景 90

3.6.2　技术方案实施流程和验证试验 91

3.6.3　正式产品批量施焊的效果 92

参考文献 93

第4章　激光束焦点位置寻优与控制 96

4.1 引言 96

4.2　引起激光束焦点位置波动的主要因素 96

4.2.1　透镜-工件距离的变化 97

4.2.2　热透镜效应 97

4.2.3　飞行光路中不同光程的影响 100

4.2.4　小结 101

4.3　激光束焦点位置检测与控制发展现状 102

4.3.1　高度跟踪传感器 102

4.3.2 自适应光束焦点调节系统 103

4.3.3　激光焊接焦点位置的检测与控制 104

4.3.4　现有控制方法的局限性和自寻优双闭环控制系统的提出 105

4.4　焦点位置自寻优双闭环控制原理分析 106

4.4.1　焦点位置自寻优双闭环控制系统所用传感器 106

4.4.2　焦点位置自寻优控制原理 107

4.4.3　喷嘴-工件距离闭环控制原理 110

4.5　焦点位置自寻优双闭环控制系统 115

4.5.1　焦点位置自寻优双闭环控制系统的功能 115

4.5.2　焦点位置自寻优双闭环控制系统硬件构成 115

4.5.3　焦点位置自寻优双闭环控制系统软件设计 117

4.5.4　焦点位置自寻优双闭环控制的效果 120

4.5.5　小结 123

参考文献 124

第5章　激光深熔焊熔透的实时检测与控制 127

5.1 引言 127

5.2　激光焊接熔透状态的分类和特征 128

5.3　CO2激光深熔焊熔透同轴检测系统 129

5.3.1　基于PS的同轴熔透检测系统 129

5.3.2　基于视觉传感器（VS）的同轴熔透检测系统 131

5.4　CO2激光深熔焊熔透状态的实时识别 133

5.4.1　利用同轴PS信号的时域特征识别熔透状态 133

5.4.2　利用同轴PS信号的频域特征识别熔透状态 139

5.4.3　利用小孔图像的灰度分布特征识别熔透状态 142

5.4.4　小结 146

5.5　CO2激光深熔焊熔透的闭环控制 147

5.5.1　控制方案分析 147

5.5.2　熔透闭环控制系统的建立 147

5.5.3　平板熔透闭环控制 147

5.5.4　斜板熔透闭环控制 150

参考文献 154

第6章　填丝激光焊及焊缝成形自适应控制 156

6.1 引言 156

6.2　填丝激光焊的特点和应用 156

6.3　激光束和焊丝的相互作用 158

6.3.1　焊丝对激光的吸收、反射和被透射 158

6.3.2　影响焊丝熔化的因素 159

6.4　填丝激光焊焊接参数的选择与匹配 162

6.4.1　送丝速度与焊接速度的匹配 162

6.4.2　送丝速度与焊接速度的许用范围 163

6.4.3　坡口间隙变化时的焊接参数调节 164

6.5　用于坡口状态实时检测的传感器 165

6.5.1　基于三维视觉的坡口检测传感器 165

6.5.2　基于线阵CCD的坡口检测传感器 167

6.5.3 扫描式Laser-PSD传感器 167

6.6　填丝激光焊焊缝成形质量自适应控制 170

6.6.1　控制系统的构成 170

6.6.2　焊缝成形自适应控制实验 171

参考文献 173

第7章　激光-GMA复合焊及熔透控制 174

7.1 引言 174

7.2　激光-GMA复合焊的特点和应用 174

7.3 激光-GMA复合焊接参数对焊缝成形的影响 179

7.3.1　激光功率对熔深、熔宽的影响 179

7.3.2　GMA电流对熔深、熔宽的影响 180

7.3.3　激光与电弧间距离（DL4）对熔深、熔宽的影响 181

7.3.4　焊接速度对熔深的影响 182

7.4　激光-GMA复合焊接参数对熔透状态的影响 182

7.4.1　评价激光-GMA复合焊熔透状态的指标 182

7.4.2　激光功率对熔透状态的影响 183

7.4.3 GMA电流对熔透状态的影响 184

7.4.4　焊接速度对熔透状态的影响 185

7.4.5　坡口间隙对熔透状态的影响 186

7.4.6　小结 187

7.5　复合焊熔透状态视觉检测方法 187

7.5.1 复合焊熔透检测方法的选择 187

7.5.2　熔池背面视觉检测系统 188

7.5.3　熔池背面视觉检测关键技术 188

7.6　复合焊熔池背面图像处理算法 194

7.6.1　坡口间隙宽度检测算法 195

7.6.2　熔池图像特征分析和熔宽检测算法 196

7.7　复合焊熔透状态闭环控制 205

7.7.1　控制方案分析 205

7.7.2　复合焊熔透闭环控制系统 206

7.7.3　复合焊熔透闭环控制的效果 208

参考文献 211

第8章　激光切割及其质量检测与控制 214

8.1 引言 214

8.2　激光切割的特点 214

8.3　激光切割的分类及机理 215

8.3.1　汽化切割 215

8.3.2　熔化切割 215

8.3.3　反应熔化切割 215

8.3.4　控制断裂切割 216

8.4　激光切割质量的评价指标 216

8.4.1　评价切割质量的主要指标 216

8.4.2　切割面粗糙度的评价基准 217

8.5　影响激光切割质量的主要因素 219

8.5.1 激光切割系统性能对切割质量的影响 219

8.5.2　激光切割参数对切割质量的影响 222

8.6　激光切割质量实时检测方法 223

8.6.1 激光切割质量实时检测方法的选择 223

8.6.2　基于切割前沿图像的缺陷识别 225

8.6.3 基于火花簇射图像的切割面近下缘粗糙度检测 229

8.7　实用化的切割面粗糙度检测方法——火花簇射同轴视觉检测与图像处理 237

8.7.1 火花簇射同轴视觉检测可行性分析 237

8.7.2　火花簇射同轴视觉检测的图像算法 239

8.7.3　火花簇射同轴图像特征参数与切割面粗糙度的关系 241

8.8　激光切割质量自寻优控制 243

8.8.1　控制方案设计 243

8.8.2　激光切割质量实时检测与控制系统 245

8.8.3 自寻优控制过程及效果 246

参考文献 252