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激光增材制造与焊接中的等离子体在线检测

激光增材制造与焊接中的等离子体在线检测

激光增材制造与激光焊接过程中，激光束与材料发生高能量相互作用，会形成高温等离子体。等离子体的状态变化与熔池、匙孔及材料蒸发行为密切相关，其电子温度、电子密度以及特征元素谱线强度能够反映激光加工过程中的关键状态。

通过光学发射光谱法（OES）对加工过程中产生的等离子体进行实时光谱分析，可在不接触工件的情况下获取丰富的过程信息，并用于识别匙孔波动、熔深变化、气孔形成及保护气失效等异常。相比加工完成后的质量检测，OES为激光增材制造与激光焊接提供了一种在线、实时、非接触的过程监测手段，使质量控制从“结果检测”进一步转向“过程监控”。

背景：从“事后检测”迈向“实时监控”

当前航空航天、新能源汽车、高端装备等领域对激光加工的效率、精度和一致性提出了前所未有的要求。然而，传统的激光加工质量控制方法依赖事后离线检测（如X光、CT），这些方法成本高昂、周期长、滞后性强，而且难以匹配高速、动态的激光加工过程。一旦事后发现问题，零件已然报废，无法进行过程干预。

光学发射光谱法（OES）的引入提供了一种变革性思路。核心逻辑在于：激光加工过程中产生的等离子体，发射出包含丰富信息的光谱信号。通过光谱仪采集并分析这些光谱信号，反演电子温度、电子密度及元素组分，即可实时、原位、非接触地了解加工过程，反映加工质量。

近年来，基于发射光谱的等离子体在线监测已成为激光加工领域的研究热点。国内外学者已取得大量有价值的研究成果：

  • 发表于Journal of Manufacturing Processes的综述文章系统回顾了等离子体发射光谱在激光焊接、增材制造及切割等场景中的在线监测进展[1]。
  • 佘昆等人在“光谱学与光谱分析”上报道了基于光谱诊断的窄间隙激光填丝焊气孔缺陷检测系统，实现了对污染物所致气孔缺陷90%的预测准确率，响应时间在0.1秒以内[2]。
  • Kong等指出，焊缝中的缺陷与焊接过程中该处等离子体电子温度的变化存在关联[3–4]。
  • Sibillano等发现，在CO₂激光焊和Nd:YAG脉冲激光焊中，电子温度可有效反映熔深大小[5–6]。
  • Konuk等指出，保护条件对焊接质量有重要影响，而电子温度的变化可用于实时监测和控制熔深[7]。

知识拓展

等离子体电子温度和电子密度的计算方法

用于分析等离子体物理特性的光谱特征参量主要为光谱强度、等离子体温度和等离子体密度。其中，光谱强度可以通过测量数据直接获取，电子密度Ne和电子温度Te可以利用光谱诊断方法进行计算分析[8]。

  • 采用 Stark展宽法计算电子密度Ne，计算公式如下[9]:

式中：ΔλStark是特征谱线洛伦兹拟合得到的半峰全宽；展宽系数ω可在参考文献[10]中查到。

选定中心波长λc及对应的展宽系数ω，使用洛伦兹函数拟合得到半峰全宽ΔλStark，代入上式即可得到Ne。

  • 采用玻尔兹曼图法计算电子温度Te，计算公式如下[11]：

式中：I为中心波长λc对应的光子计数强度；k为玻尔兹曼常数，单位为eV/K；D为配分系数。跃迁几率A、简并度g和激发态能量E等都可以由NIST网站查到。

以中心波长λc对应的激发态能量E为横坐标，以ln(I/Ag)为纵坐标，进行最小二乘拟合，根据拟合直线的斜率−1/(kTe)，得到电子温度Te。

挑战：等离子体检测难点

等离子体的精准光谱检测本身就充满挑战，要将这一技术从实验室推向更广泛的工业场景，这对光谱仪检测设备提出了极高要求。

谱线重叠与强连续背景的干扰

等离子体发射光谱中包含大量特征谱线，不同元素及不同电离态的谱线往往在波长上靠近甚至重叠。同时，由电子、离子和原子之间相互碰撞形成的韧致辐射和电子与离子复合形成的复合辐射产生的连续背景噪声很强，使得目标特征峰容易被淹没。尤其是在高功率深熔焊中，连续背景强度随电子密度增加而急剧上升，对光谱仪的分辨率和灵敏度提出了极高要求。

极速变化的动态过程

激光加工是高速过程，等离子体信号转瞬即逝。光谱仪必须具备微秒级的快速采集能力，才能捕捉到完整的动态信息。

极端工况下的微弱信号捕获

在实际加工中，工况的复杂性进一步加剧了检测难度，金属颗粒飞溅、电磁干扰以及环境杂散光等干扰信号叠加其中。要求光谱仪具备极高的信噪比（SNR），从嘈杂背景中提取出微弱但关键的特征信号。

系统集成与稳定性

工业应用要求监测系统必须紧凑、可靠，并能方便地集成到现有设备中。同时，面对工业现场的震动和温度变化，光谱仪自身必须具备良好的热稳定性和一致性。

硬件方案：海洋光学（Ocean Optics）微型光纤光谱仪

面对这些挑战，海洋光学（Ocean Optics）的光纤光谱仪凭借其高速、高信噪比和优异的热稳定性，为等离子体在线监测系统提供了可靠的光谱核心检测模块。

  • 原位测量：光纤引入设计，不占用空间，不干扰光路布局。
  • 兼具宽光谱与高分辨率：支持多元素的中性原子线与离子线同步捕获，为电子温度、电子密度的准确计算提供完整的谱线组合。
  • 高信噪比提取微弱信号：即便在强连续背景和谱线重叠的复杂光谱中，仍能有效分辨目标特征峰。
  • 优异的稳定性与一致性：自动化生产确保极低的台间差和出色的热稳定性。

可测参数：

  • 中心波长：分析等离子体元素组成
  • 光谱带宽（FWHM）：计算电子密度
  • 谱线强度： 计算电子温度
  • 光强信号波动：判断匙孔稳不稳、有无缺陷

典型配置

  • 光谱仪：HR4 200-1100nm
  • 光纤：QP200-2-SR-BX
  • C口适配器：C-mount
  • 软件：Oceanview

应用实例

基于光发射光谱（OES）法，利用海洋光学HR光谱仪对Al/Cu异种激光焊接工艺进行原位监测[12]。

光纤光谱仪监测激光异种焊接示意图
通过4条Al I谱线强度构建Boltzmann图测定电子温度Te。
对Al I 396.15 nm谱线的斯塔克展宽进行洛伦兹拟合，测定电子密度Ne。
三类焊接状态下的光谱对比图（NW、TW和Cu-pw），在Cu-pw状态下，Cu谱线自蚀消失（左上角是放大的Cu I发射谱线），表明Cu已被充分熔化和穿透。
焊缝宽度和熔深随Cu I发射谱线强度变化的拟合曲线。

在激光增材制造迈向智能化的进程中，对等离子体的精准“洞察”是质量控制的关键。海洋光学微型光纤光谱仪，以其高速、高信噪比、高灵活性和高可靠性的产品特性，正成为连接光谱信号与加工质量的桥梁，助力制造业实现从经验驱动到数据驱动的跨越。

参考文献

  1. Yunfu Tian, Changxing Li, et al. In-situ monitoring of plasma dynamics during laser welding penetration state transition: A synergetic spectroscopic diagnostics and electrical detection method[J], Journal of Manufacturing Processes, Volume 155, 2025, Pages 572-588, ISSN 1526-6125, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.10.036.
  2. 佘昆等. 基于光谱诊断的窄间隙激光填丝焊气孔缺陷检测研究[J]. 光谱学与光谱分析, 45.2(2025):507-514.
  3.  Genyu Chen, Mingjun Zhang, Zhi Zhao, et al. Measurements of laser-induced plasma temperature field in deep penetration laser welding[J]. Optics & Laser Technology, 2013, (45): 551-557.
  4. Fanrong Kong, Junjie Ma, et al. Real-time monitoring of laser welding of galvanized high strength steel in lap joint configuration[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(7): 2186-2196.
  5. Junjie Ma, Fanrong Kong, et al. Two-pass laser welding of galvanized high-strength dual-phase steel for a zero-gap lap joint configuration[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(3): 495-506.
  6. SibillanoT, AnconaA, et al. Study on the correlation between plasma electron temperature and penetration depth in laser welding processes[J]. Physics Procedia, 2010, 5: 429-436.
  7. Konuk A R, Aarts R, et al. Process control of stainless steel laser welding using an optical spectroscopic sensor[J]. Physics Procedia, 2011, 12: 744-752.
  8. 王本乐等. 焊接等离子体光谱信息自处理软件开发. 激光技术, 4(2025).
  9. Ribic B, Burgardt P, et al. Optical emission spectroscopy of metal vapor dominated laser-arc hybrid welding plasma[J]. Journal of Applied Physics, 2011, 109(8): 083301.
  10. Griem H R, Barr W. Spectral line broadening by plasmas[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1975, 3(4): 227. DOI: 10.1109/TPS.1975.4316912.
  11. Chen Y B, Zhao Y B, et al. Effects of laser induced metal vapour on arc plasma during laser arc double sided welding of 5A06 aluminium alloy[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2012, 17(1): 69-76.
  12. SeungGu Kang, Joonghan Shin. In-situ monitoring of Al/Cu dissimilar laser welding process using optical emission spectroscopy (OES)[J]. Optics & Laser Technology, 2024, 169: 110893. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.110893.

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