熔深視覺傳感監(jiān)測

激光深熔焊接中焊縫熔深的同軸視覺傳感監(jiān)測

前言

激光焊接過程的監(jiān)測主要是基于聲、光、電、熱等信號監(jiān)測焊接過程中氣孔等缺陷的形成，但對未焊透時焊縫的成型狀況特別是焊縫熔深則缺乏有效的監(jiān)測，這主要是由于很難在熔深和監(jiān)測信號之間建立一個穩(wěn)定、直接的映射關系。在過去對熔深的監(jiān)測中多采用“黑箱”模型——將監(jiān)測信號和實驗所測的焊縫熔深直接擬合得到監(jiān)測信號與熔深之間的映射關系或者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡來建立二者之間的對應關系[1,2]。

同軸視覺傳感是一種先進的激光焊接過程監(jiān)測方法，可以實現(xiàn)焊接過程中的可視化、直接監(jiān)測。但是由于激光致等離子體和金屬蒸氣對熔池和小孔的覆蓋，使得在對激光深熔焊接過程同軸視覺傳感監(jiān)測過程中觀測不到小孔的底部，并且小孔同軸圖像灰度值的變化也不能表征小孔深度的變化[3,4]。因此不能利用圖像三維形狀恢復技術和小孔同軸圖像灰度值與焊縫熔深的標定曲線來實現(xiàn)激光深熔焊接過程中焊縫熔深的監(jiān)測。

盡管小孔的同軸視覺圖像不能反映出小孔底部的三維形狀和深度信息，但仍然能夠反映出小孔底部的徑向形狀和大小[3,4]。因此可以通過圖像處理提取出小孔的徑向尺寸。本文在提取出小孔徑向尺寸的基礎上基于Nd:YAG激光深熔焊接過程中小孔前壁材料蒸發(fā)滿足的能量條件來求解小孔的深度，并基于所提取出的小孔的深度實現(xiàn)了激光深熔焊接過程中焊縫熔深的直接監(jiān)測。

本文中焊縫熔深監(jiān)測是基于圖像處理結果和焊接過程中小孔前壁滿足的能量平衡進行的，不依賴于等離子體的輻射光強，是一種直接監(jiān)測的方法。

1. 實驗條件

實驗用的激光器是額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1.06μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200mm的透鏡聚焦后的激光束焦點直徑為0.6mm；工件為250×100×1.8mm的Q235鋼板，同軸保護氣為Ar氣。

小孔同軸視覺圖像的采集采用自主開發(fā)的Nd:YAG激光焊接過程同軸視覺傳感系統(tǒng)。

對所采集的小孔和熔池的同軸視覺圖像，經(jīng)平滑濾波除噪和同態(tài)濾波增強的預處理后，基于閾值分割技術提取出小孔和熔池的邊緣，利用Hough變換擬合得到小孔內(nèi)外邊緣的曲線方程，從擬合結果中得到小孔的徑向尺寸。

2. 小孔前壁的能量平衡

在給定焊接規(guī)范下，當焊接過程達到穩(wěn)態(tài)時，小孔也達到了動態(tài)平衡狀態(tài)：小孔深度和焊縫熔深不再變化，接受激光束輻照的小孔前壁材料不斷熔化和氣化，孔內(nèi)脫離激光輻照的金屬等離子體不斷復合成金屬蒸氣并和孔內(nèi)未電離的且不在激光輻照區(qū)域內(nèi)的金屬蒸氣一起液化形成小孔的后部。這樣隨著激光束在工件表面上的連續(xù)掃描，小孔前壁的材料不斷氣化：

(a)小孔的同軸圖像

(b)小孔邊緣的Hough變換擬合結果

焊接過程不斷地進行。

小孔前壁吸收的激光能量除了使材料達到氣化狀態(tài)并使金屬蒸氣具有一定的動能外，還有一部分能量通過熱傳導的方式傳遞到母材中去。因此小孔前壁不斷氣化滿足的能量條件為：

EA=EV EK EL（1）

式中：EA——被小孔前壁吸收的激光束能量；

EV——小孔前壁氣化所需要的能量；

EK——蒸發(fā)后金屬蒸氣的動能，為能量損失；

EL——通過熱傳導損失的能量。

由于金屬蒸氣的動能EK與材料蒸發(fā)所需要的能量EV相比很小，可以忽略不計[5]。由小孔經(jīng)熱傳導傳遞到液態(tài)層和母材中能量EL和材料蒸發(fā)所需要的能量EV之間近似有如下關系[4]：

（2）

式中：ε——為熱傳導造成的能量損失與材料蒸發(fā)所需的能量之比；

I——單位質量的材料蒸發(fā)所需要的能量；

——材料的比熱；

TV——材料的沸點。

因此，小孔前壁的能量平衡條件可簡化為：

EA=(1 ε)EV（3）

在激光深熔焊接過程中，輻照在小孔前壁的激光功率密度是小孔前壁材料蒸發(fā)的決定性因素；考慮到計算小孔前壁的體積及其消耗的能量需要較多的假設條件，將會產(chǎn)生很大誤差。因此，以單位面積的材料蒸發(fā)所需要的能量密度為基礎建立小孔前壁材料氣化的能量平衡方程。

用功率密度表示的小孔前壁氣化過程中滿足的能量平衡方程為

（4）

式中：A——工件材料對Nd:YAG激光的吸收率；

Q——激光功率；

R——激光光斑半徑；

ρ——材料密度；

Vd——小孔前壁加深的平均速度。

在方程（4）中，只有小孔前壁平均加深速度是與小孔深度緊密相關的未知量。

3. 小孔深度的求解

包括3.1小孔平均加深速度的求解3.2小孔深度求解方程的建立和3.3小孔深度的求解。

3.1 小孔平均加深速度的求解

小孔前壁的加深速度是由輻照在其上方的激光焊接體能量所決定的，其瞬時下降速度受各種條件的限制很難將其求出。因此，根據(jù)小孔的徑向尺寸來求解小孔前壁的平均加深速度。

橢球面，短軸直徑為提取出的小孔內(nèi)邊緣的寬，長軸直徑為提取出的小孔內(nèi)邊緣的長，且小孔最深處的水平位置與小孔內(nèi)邊緣中心的水平位置重合。在τd時間內(nèi)，小孔前壁的材料從工件表面加深至小孔的最深處，其深度方向上的位移為小孔深度hk，而激光束在焊接方向上對工件的掃描距離為Ld，則有：

（5）

式中：hK——小孔深度；

Lo——提取出的小孔外邊緣的長度；

"para" label-module="para">

V——為焊接速度。

則從（5）式可得小孔前壁的平均加深速度為：（6）

3.2 小孔深度求解方程的建立

將（6）式代入到（4）式整理可得小孔深度為

（7）

將激光光斑半徑R隨離焦量"_blank" href="/item/z變化/7765991" data-lemmaid="7765991">z變化的擬合關系式R=11.56"para" label-module="para">

（8）

式中："para" label-module="para">

式（8）即為在激光功率為Q，焊接速度為V，離焦量為"para" label-module="para">

在激光深熔焊接過程中，小孔處在液態(tài)金屬的包圍中，小孔的前壁是具有一定厚度的液態(tài)金屬層。因此，本文認為小孔前壁下降是從液態(tài)金屬表面開始的。因此，（8）式中材料的熱物理參數(shù)分別取ρ為材料液態(tài)時的密度，I為單位質量的材料從液態(tài)到氣態(tài)的氣化過程中所需要的能量，取材料的比熱在材料熔點TM到沸點TV范圍內(nèi)的平均值為，則單位質量的液態(tài)材料氣化所需要的能量I為：

（9）

式中：LV——為材料的汽化熱；

TM——為材料的熔點。

3.3 小孔深度的求解

小孔前壁為一傾斜的斜面，因此在小孔深度的求解過程中，激光功率密度不能按照輻照在工件表面的激光功率密度處理。鑒于小孔前壁加深速度為一平均值，因此小孔深度求解方程中的激光功率密度按小孔半深處的激光功率密度作為輻照在小孔前壁的平均激光功率密度處理。將小孔深度求解方程修正為：

(10)

這樣小孔深度求解方程變成一個5階非線性方程，其根不能用根式或解析式表示[6]，方程（10）需要用數(shù)值法求解。

對方程（10）的結構分析可以看出，方程（10）的右邊可分為三項：第一項為系數(shù)項；最后一項與由同軸視覺傳感監(jiān)測提取出的小孔的二維徑向特征參數(shù)和材料的熱物理參數(shù)有關；而第二項是與焊接規(guī)范參數(shù)有關的項，物理意義為單位面積上的焊接線能量（或單位時間內(nèi)激光功率密度），其被定義為焊接體能量。

焊接體能量qV的定義為[4]：

（11）

則方程（10）又可表示為

（12）

從（12）式中可以看出，在激光深熔焊接過程中，小孔深度的變化將會引起輻照在小孔前壁的焊接體能量的變化；反之，焊接體能量的變化又將導致小孔深度的變化，二者相互影響。因此，以（12）式為基礎通過迭代可求得小孔深度。

4. 基于小孔深度的焊縫熔深的監(jiān)測

包括4.1焊縫熔深的提取4.2焊縫熔深監(jiān)測值的驗證和4.3工件焊透的判斷。

4.1 焊縫熔深的提取

由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很薄[4,5]，對焊縫熔深的影響不大，因此本文以小孔深度作為焊縫熔深來處理。則分別測量不同焊接規(guī)范參數(shù)下的焊縫熔深來驗證由同軸視覺傳感監(jiān)測到的焊縫熔深。

4.2 焊縫熔深監(jiān)測值的驗證

(a)焊縫熔深監(jiān)測值和實驗值的比較

(b)監(jiān)測誤差

(a)焊縫熔深監(jiān)測值和實驗值的比較

(b)監(jiān)測誤差

(a)焊縫熔深監(jiān)測值和實驗值的比較

(b)監(jiān)測誤差

(a)焊縫熔深監(jiān)測值和實驗值的比較

(b)監(jiān)測誤差

在工件未焊透時，焊縫熔深的監(jiān)測值與實驗值具有較好的一致性，其監(jiān)測誤差最大不超過12%，最大誤差為11.76%，而且是在不太常用的大離焦量下所監(jiān)測到的；而在常用的小離焦量下，焊接規(guī)范參數(shù)的變化過程中未焊透時焊縫熔深的監(jiān)測誤差都不超過10%。較小的監(jiān)測誤差說明，工件未焊透時對焊縫熔深的監(jiān)測是比較準確的。

在工件焊透時，焊縫熔深的監(jiān)測值明顯大于工件厚度，具有很大的監(jiān)測誤差。這主要是由于在工件焊透時有一部分激光束能量透過孔底液態(tài)金屬薄層而損耗在工件之外，但在熔深監(jiān)測過程中并沒有考慮這部分能量損耗而造成的誤差。另外，隨著焊接體能量的增大，透過孔底液態(tài)金屬層損耗的激光能量也就越多，造成的監(jiān)測誤差也就越大。

4.3 工件焊透的判斷

由于工件焊透后焊縫熔深的監(jiān)測值明顯大于工件厚度，因此可以直接利用焊縫熔深的監(jiān)測值和工件厚度比較來判斷工件是否被焊透。

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當工件剛剛焊透時的焊縫背面成形并不是連續(xù)的，而是斷斷續(xù)續(xù)的，而這些不連續(xù)的焊點在對接的情況下將會成為裂紋起始點和應力

集中點而成為焊接缺陷。因此本文將這情況列為未焊透的狀態(tài)。為了避免在監(jiān)測過程中對這種情況出現(xiàn)誤判，本文在焊透的判斷過程中預設一定的判斷裕量。本文根據(jù)實驗情況取工件厚度的8%，即焊縫熔深的監(jiān)測值不小于工件厚度的1.08倍時，認為工件是完全焊透的，否則認為工件未焊透。

實驗結果證明，在工件焊透狀況判斷過程中考慮一定的判斷裕量提高了判斷的準確性和可靠性。

5. 結論

在由同軸視覺傳感監(jiān)測提取出的小孔徑向尺寸和小孔前壁材料氣化滿足的能量平衡的基礎上推導建立了小孔深度提取的迭代方程?；谠谕S視覺傳感監(jiān)測中所提取出的小孔深度實現(xiàn)了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊縫熔深的直接監(jiān)測和工件焊透的判斷。

焊縫熔深監(jiān)測值和實驗測量值的比較表明，工件未焊透時，焊縫熔深的監(jiān)測值和實驗測量值具有較好的一致性，其監(jiān)測誤差一般不超過12%；而工件完全焊透后，焊縫熔深的監(jiān)測值明顯大于工件厚度。

在工件是否焊透的判斷中，通過預設工件厚度的8%為判斷裕量提高判斷結果的可靠性和準確性，避免在工件剛剛焊透對焊縫背面不連續(xù)成形出現(xiàn)誤判。2100433B

激光焊接體能量及其對焊縫熔深的影響

激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個非常復雜的物理化學過程，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來表征激光光斑及焦點尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。

在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m-1)來描述和評價焊接過程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，但是這兩個參數(shù)都沒有考慮電弧作用面積對焊縫熔深的影響。

如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點尺寸對焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。

在激光焊接的研究中，還沒有一個參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊接過程的影響。為了綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響。

1. 焊接體能量的定義

為了能夠綜合評價激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊接體能量qV的定義為：

（1）

式中：Q——激光功率；

V——焊接速度。

S——為輻照在小孔內(nèi)的激光束光斑面積，實驗用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關系的擬合關系式為[1]：

式中："para" label-module="para">

R0——激光束焦點半徑。

因此，焊接體能量又可以表示為：

從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時間內(nèi)的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線能量，其單位為J·m-3，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。

從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點半徑計算得出。焊接體能量隨激光功率、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關系，與焊接速度成反比關系，與焦點尺寸成平方關系，而與離焦量成指數(shù)關系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。

2. 焊接體能量對焊縫熔深的影響

2.1 試驗條件

實驗用的激光器為額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1.06μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點半徑為0.3mm，工件為250×100×1.8mm的Q235鋼板，同軸保護氣為Ar氣。

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)離焦量

本文的主要目的在于研究焊接體能量對焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實驗采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測量工件未焊透時的焊縫熔深。

通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實現(xiàn)了焊接體能量的變化。實驗過程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示。

2.2 焊接體能量對焊縫熔深的影響

在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對小孔輻照時間的長短，而Q/S或則表明了輻照在孔內(nèi)的激光功率密度的大小。因此，輻照在小孔孔內(nèi)的焊接體能量從激光輻照時間和功率密度兩方面影響、決定著小孔深度和焊縫熔深。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小[1-3]，其對焊縫熔深的影響很小，因而在激光深熔焊接研究中，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來處理。

表1焊接規(guī)范參數(shù)的變化

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)離焦量

焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率增大而增大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時間內(nèi)將有更多的激光束能量輻照到小孔底部，激光束對孔底的輻照加熱作用增強，孔底蒸發(fā)的材料越多，焊縫熔深也就越深。

焊接體能量與焊接速度呈反比關系，隨著焊接速度的加快，激光束對小孔的輻照時間越短，輻照在小孔內(nèi)的焊接體能量就越小，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺。

焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關系，且在理論上關于"_blank" href="/item/輻照/10017725" data-lemmaid="10017725">輻照在小孔內(nèi)的激光光斑就越小，激光功率密度就越大，焊接體能量也就越大，

對孔底材料的轟擊也就越強，孔底蒸發(fā)的材料也就越多，焊縫熔深也就越深。

從上面的分析可知，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大，則單位時間、單位面積內(nèi)工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也就越多，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深。

從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量綜合了激光功率、焊接速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。

此外，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出，焊接體能量與激光束焦點半徑成平方關系，能夠體現(xiàn)激光束焦點大小對焊縫熔深的影響。激光束焦點尺寸越小，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深。或者說，在一定的焊接體能量下，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點越小，則所需要的激光功率也就越小。因此，可采用強聚焦的方法減小激光束焦點尺寸，從而達到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的，這一點已被國外有關研究成果所證明[4]。

3. 結論

（1）定義激光焊接體能量，其由激光功率、焊接速度及離焦量計算得到。

（2）焊接體能量與激光功率呈正比、焊接速度呈反比、離焦量呈指數(shù)關系，激光束焦點尺寸越小，焊接體能量越大。

（3）焊縫熔深隨著焊接體能量的增大而近似呈線性增大。焊接體能量能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。

穿孔等離子弧焊的熔深檢測

小孔型等離子弧焊具有熱輸入能量集中，焊縫深寬比大，焊接效率高以及可以在中厚管、板材料焊接時實現(xiàn)一次焊透，單面焊雙面成形等特點。但小孔的不穩(wěn)定使等離子弧焊不能獲得良好的焊縫成形，大大限制了等離子弧焊的廣泛應用。在等離子弧熔透控制、小孔控制方面，國內(nèi)外已開展了大量的研究，先后提出了多種小孔行為的檢測方法，如尾焰電壓、電弧弧光強度、聲音信號、熔池圖像信號、多傳感信息融合等，取得了許多成果，但這些方法僅能提供小孔是否穿透的信息，而不能夠或不能很清晰、很準確地反映熔池熔深的情況，在實際應用中也存在一定的局限性。因此，開發(fā)簡單、實用、可靠且低成本的等離子弧熔透控制傳感器，成為等離子弧熔透控制亟待解決的問題。

該研究首次利用鞘層電壓來獲知等離子云噴射角，獲知熔深熔透的情況，從而為等離子弧焊接質量控制提出了新的研究方向。

1. 等離子云及其形態(tài)變化

所謂等離子云，就是在等離子弧焊接過程中，由于等離子弧的能量高度集中、密度大、溫度高、焰流速度大，在等離子弧與金屬作用區(qū)內(nèi)，金屬蒸發(fā)極為劇烈，形成的高溫金屬蒸氣和焊接保護氣體在電弧作用下發(fā)生離解，當焊接小孔未形成時，在焊接等離子弧的尾部(與焊接方向相反)出現(xiàn)一個自熔池射出的小弧，其形狀就像一個翅膀，因此，稱它為弧尾翼或等離子弧反翹或等離子云。在文獻[5]中，詳細介紹了小孔形成與閉合時電弧形態(tài)的變化。小孔從無到有，等離子云也完成一個周期的擺翹，即在小孔形成前，隨著焊接過程的進行，或者說，隨著焊接熔深的增大，等離子云與工件表面之間的夾角θ也逐漸增大。在小孔即將形成時，其夾角θ達到最大值，此后，等離子云迅速下擺，在工件背面尾焰出現(xiàn)，即小孔形成。也就是說，當焊接小孔形成后，從焊接熔池正面已經(jīng)看不到電弧等離子云了，或者是等離子云上擺很小。因此，電弧等離子云的形態(tài)可以表征焊接熔池小孔或者熔深的特征信息。

2. 試驗系統(tǒng)和條件

試驗系統(tǒng)是由馬來西亞生產(chǎn)的TG300P電源，ThermalDynamics公司生產(chǎn)的PWM300專用等離子弧焊槍，PLC進行自動控制器，循環(huán)冷卻系統(tǒng)，探針檢測裝置，馬來西亞Agilent公司生產(chǎn)的記憶示波器S4622A等組成。焊接時焊槍固定不動，探針位置也固定，小車帶動工件移動。探針檢測裝置電容為0.01μF，電阻為9MΩ。焊接材料是45*低碳鋼，記憶示波器S4622A記錄鞘層電壓變化情況，工件接示波器正端，探針接示波器負端。通過檢測電路中的電壓信號就可以檢測到等離子云的特征信息，從而得到等離子云噴射角的特征行為信息，最終得到等離子云噴射角與熔池熔深的信息。

3. 探針檢測原理

探針檢測實際上是利用了等離子體鞘層理論。所謂等離子體中的“鞘層”理論，就是當一個冷的物體浸入等離子體時，等離子體表現(xiàn)出與普通氣體截然不同的性質，若物體表面是不發(fā)射離子的或吸收離子的，則在物體進入等離子體后，物體表面形成一個帶負電位的薄層暗區(qū)，這個薄層被稱為“鞘層”，它把等離子體與物體分開。在這一區(qū)域，電子數(shù)和正離子數(shù)是不同的，明顯偏離電中性，其電位也是單調遞增的。采用探針檢測等離子云時，是將探針插入等離子體中，由于工件為參考“地”電位，因此，探針與工件之間可以檢測到一負電壓值，該電壓即是其“鞘層電壓”，這就是在無源探針檢測法中無需外加電源的原因。

4. 等離子云噴射角的檢測

無外加電源探針檢測等離子云的目的主要是為了對小孔等離子弧焊接的熔透熔深進行控制。在某個給定的焊接電流下，將探針從遠處逐漸向等離子云中心移動。探針檢測到的鞘層電壓隨著探針距等離子云中心距離的減小而不斷增大，當探針達到等離子云中心位置(C點)時，鞘層電壓最大，這時點C與電弧中心點O連線與工件之間的夾角θ就是給定焊接電流下的等離子云噴射角。測出點C的x方向上的長度和y方向上的長度，可求出相應的等離子云噴射角θ。為了進行焊接熔深及熔透控制，還需要知道此焊接電流所對應的熔深。這樣，才能找出等離子云噴射角與熔深的關系，從而實現(xiàn)熔透控制。把不同焊接電流下的焊縫切開分別測其熔深，可以知道等離子云噴射角與熔深的關系。通過實時檢測等離子云噴射角來獲得熔深的狀態(tài)，以便在焊接過程中獲取可以反映工件熔透狀態(tài)、表征小孔特征行為的信息，從而進行焊接熔深及熔透控制。使電流從55~85A之間變化，然后分別找出不同焊接電流、等離子云噴射角及熔深的對應關系。把不同焊接電流下的焊縫切開來經(jīng)過處理，可以測出相應的焊縫熔深。在其他焊接參數(shù)不變的條件下，隨著焊接電流的增大，焊接熔深增加，為了找出不同電流的熔深與等離子云噴射角的對應關系，需測出不同電流的熔深及相應的等離子云噴射角。使電流從55~85A之間變化，然后分別找出不同焊接電流、等離子云噴射角及熔深的對應關系。把不同焊接電流下的焊縫切開來經(jīng)過處理，可以測出相應的焊縫熔深。在其他焊接參數(shù)不變的條件下，隨著焊接電流的增大，焊接熔深增加，為了找出不同電流的熔深與等離子云噴射角的對應關系，需測出不同電流的熔深及相應的等離子云噴射角。不同焊接電流下的熔深、等離子云噴射角及相應檢測到的鞘層電壓，隨著焊接電流的增大，熔深增大，對應的等離子云噴射角也增大，當焊接電流為85A，小孔即將形成時，或者說工件即將熔透時，噴射角達到最大。用坐標的形式可以更明顯地顯示出熔深與等離子云噴射角的關系，該關系曲線為等離子弧焊接的熔深熔透的控制奠定了基礎。

5. 結論

實驗證明，等離子云噴射角在小孔熔透控制中有著重要的作用，它是表征小孔熔透特征信息的重要參數(shù)，通過檢測等離子云噴射角的大小可以判斷熔深情況。在小孔等離子弧焊接中，可通過檢測等離子云噴射角的變化來獲取熔深的信息，再通過調節(jié)焊接電流來實現(xiàn)熔透控制。