在本工作中 ， 选择了TC4钛合金 。 利用高速摄像机同时监测等离子体羽流和锁孔的变化和稳定性 ， 分析锁孔和等离子体羽流之间的关系 。 利用锁孔面积频率（KA）和质心高等离子体羽流（CHPP）分析了穿透的相关性 。 在激光焊接过程中 ， 通过频域相关分析判断熔透模式 。 熔深相关性分析为TRM激光焊接的在线检测提供了依据 。 未来的工作重点是研究TRM激光焊接熔深模式实时闭环控制系统 。
2.实验部分
使用光纤激光系统（IPG Photonics；波长：1.07?μm；模式：TEM00；最大输出功率：4?kW）和电焊位移平台 ， 如图1所示 。 为了研究锁孔和等离子体羽流如何相互影响 ， 使用Photons A4高速相机（帧速率：20?kHz） 。 在激光焊接过程中 ， 等离子体羽流主要通过逆韧致辐射吸收激光能量 ， 导致激光能量衰减 。
图1 锁孔和等离子体羽流相关分析的实验装置（a）实验装置示意图（b）真实实验装置 。
如图2所示 ， 匙孔的照片是使用高速相机拍摄的 。 分析了原始锁孔图像的灰度分布 ， 采用固定阈值对锁孔图像进行分割 ， 得到了锁孔的轮廓特征 。 随后 ， 使用开放算法消除熔池中的白点 。 然后 ， 提取钥匙孔的轮廓 ， 并计算KA 。 如图3所示 ， 等离子体羽流图像被捕获 ， 但包含热像素 。 因此 ， 为了获得清晰的等离子体羽流图像 ， 使用中值滤波器来削弱热像素 。 不同时间的等离子体羽流图像的灰度级之间存在较大差异 。
图2 KA的特征分析过程：（a）原始图像（b）中值滤波器（c）阈值分割（d）打开操作（e）锁孔区域 。
图3 CHPP特性分析过程：（a）原始图像（b）滤波图像（c）阈值分割（d）质心提取 。
3.结果和讨论
3.1.KA的动态特性
在激光焊接过程中捕获锁孔的图像 。 锁孔的图像由锁孔的轮廓特征和熔池镜面反射的白点组成 ， 如图4所示 。 当分析锁孔的动态变化特征时 ， 消除了锁孔上白点的干扰 。 作为锁孔的一种动态行为 ， KA的变化常被用来描述锁孔的变化特征 。 在不同的穿透模式下捕获了锁孔的动态特性 ， 如图5 所示 。
图4 匙孔的特征 。
图5不同穿透模式下KA的周期变化（A）部分穿透模式（B）全穿透模式 。
由于成像帧速率为20?kHz时 ， 可使用2000幅图像分析KA在每个激光功率步长内的特征行为 ， 并使用图6（a）所示的时域分析分析不同穿透模式下的KA 。 发现平均KA随激光功率的增加而增加 。 然而 ， 当激光功率达到1000?W时 ， 平均KA下降 ， 如图6(b)所示 。 这是因为锁孔深度随着激光功率的增大而增大 ， 在1000?W的激光功率下穿透工件 ， 形成了穿透孔 。 在等离子体羽流反冲压力和熔池表面张力的共同作用下 ， 与部分熔透模式相比 ， 锁孔收缩 ， KA减小 。 锁孔等离子体随激光功率的增大而增大 ， 等离子体羽流的反冲压力再次增大 ， KA随之增大 。
图6 不同穿透模式下KA的变化特征（a）KA的时域特征（b）平均KA变化趋势 。
3.2.CHPP的动态特性
等离子体羽流由两个区域组成：高密度区域和扩散区域 ， 如图7所示 。 两个区域之间的边界很模糊 ， 两个区域的等离子体羽流密度明显不同 。 基于CHPP波动特性的方法被用于分析等离子体羽流的瞬态变化 。
图7等离子体羽流的特征 。
如图8所示 ， 在不同的穿透模式下捕获了等离子体羽流的形态变化 。 发现等离子体羽流的周期不同 。 等离子体羽流的周期分为三个阶段：增加阶段、分离阶段和消散阶段 。 在增加阶段的初期 ， 等离子体羽流主要是金属蒸气 ， 不会形成大量的电离等离子体 。 随着激光照射时间的增加 ， 电离等离子体的数量和密度增加 。 在增加阶段结束时 ， 等离子体羽流密度最大 ， 且等离子体羽流的密度超过激光屏蔽的阈值 ， 然后激光束被屏蔽 。
图8不同穿透模式下CHPP的周期变化（A）部分穿透模式（B）全穿透模式 。
通过分析CHPP的变化 ， 得到了等离子体羽流密度和面积的变化特征 。 因此 ， 分析了不同穿透模式下CHPP的变化特征 。 CHPP的时域变化特征和平均CHPP的变化趋势分别如图9（a）和（b）所示 。 如图9（a）所示 ， 随着激光功率的增加 ， 平均CHPP的变化趋势最初减小 ， 然后增加 。 图9（b）表示1000的激光功率?W是变化趋势的转折点 ， 反映了激光焊接的不同熔透模式 。
图9 不同穿透模式下CHPP的变化特征（a）CHPP的时域特征（b）平均CHPP的变动趋势 。
部分熔透模式激光焊接期间（激光功率：800–900?W） KA的变化趋势与CHPP的变化趋势相反 ， 即随着激光功率的增加 ， KA增加 ， 但CHPP降低 。 其原因是 ， CHPP由锁孔的倾角β和激光束的照射位置A决定 。 激光束和锁孔的前壁在A处相交 。 点A位于气液界面的努森层中 。 当努森层中气化颗粒的压力超过环境压力时 ， 气化颗粒垂直于锁孔前壁喷出 ， 并向外产生方向力 ， 如图10（a）所示 。
