使用高速摄像机观测铝合金脉冲焊接

铝合金脉冲焊接过程中熔滴的“萌生-颈缩-裂变-坠落”全生命周期动力学瞬态现象（使用千眼狼高速摄像机S1315M捕捉）。

1 实验背景

铝合金因其高比强度、导热性及耐腐蚀性，在航空航天、轨道交通及新能源汽车领域应用广泛。铝合金脉冲焊接过程中的熔滴过渡频率与熔池稳定决定成形质量。

传统焊接观测，等离子体产生的强光干扰（弧光）易遮蔽熔池及熔滴的细节，某焊接实验室，采用脉冲激光主动照明技术结合高速摄影技术，通过窄带滤光技术有效抑制等离子体干扰，研究熔滴过渡动力学行为及其演化机理。

2 实验简介

2.1 实验系统组成

实验采用高速摄像机+脉冲激光照明+同步控制的方案，目的抑制电弧/等离子体强光干扰并提升熔滴过渡细节可见性。

• 高速摄像机：中科君达视界研发的千眼狼S1315M,核心参数1280×1024@15000 fps，配备滤光片组滤除电弧弧光。

• 照明：采用脉冲激光器作为辅助光源，通过扩束镜压缩光束发射角以提升照明功率密度。

• 同步控制器：通过同步控制器实现激光脉冲与相机曝光微秒级严格同步。

2.2 实验参数设定

• 高速摄像机采样帧率：5000 fps，以200 μs时间尺度解析熔滴过渡生命周期瞬态行为。

• 拍摄帧数与时长：连续捕捉518帧图像，约0.1 s。

3 实验数据

3.1 总体观测现象：

千眼狼高速摄像机S1315M以5000 fps采集速率将熔滴过渡过程解析为200 μs的时间序列图像，完整记录9次熔滴过渡循环，有效捕捉颈缩断裂、主副熔滴裂变与熔滴入池等瞬态事件。

3.2 单次滴落现象：

根据高速摄像机捕捉到的序列图像，对其中一次典型熔滴过渡过程解析如下：

I. 熔滴萌生与拉长（2400 μs~8000 μs）

增材丝材端部在脉冲电流的热效应下开始熔化，熔滴初步萌生（图1），在重力与电磁收缩力共同作用下，熔滴沿轴向不断拉长，形成初步的长形熔滴（图2）。通过观察高速摄像机捕捉的熔滴拉长形态图像是否轴对称，可判断基础热输入的稳定性，以及后续过渡是否稳定。

II. 熔滴颈缩与临界失稳（8000 μs~10400 μs）

8000 μs，熔滴质量持续增加，熔滴重心下移，对连接颈部施加的拉伸应力增大，熔滴呈现明显的哑铃状颈缩（图3）。随着颈部半径减小导致的局部电流密度进一步升高，径向向内的电磁力在熔滴根部产生挤压效应，加速颈缩演化成液桥（图4）。高速摄像机捕捉到的液桥的形成与维持时间将是判断熔滴射流过渡质量的关键，颈缩越均匀对称，则断裂越干净，产生的卫星熔滴越少，反之颈缩偏心，则容易形成副熔滴并诱发扇形外扩散。

III. 熔滴断裂与裂变（10400 μs~17200 μs）

10600 μs，当颈缩发展至临界半径后，液桥在表面张力和电磁收缩力的协同作用下发生断裂（图5），断裂瞬间，液桥两端快速回缩释放表面动能，导致能量失稳，形成主熔滴+副熔滴的裂变结构，主熔滴质量大受重力影响垂直坠落进入熔池，副熔滴则受断裂瞬间电弧等离子体侧向推力影响沿扇型路径向外扩散（图6）。

IV. 熔滴滴落周期重复（17200 μs~）

后续时间序列中，熔滴生成—颈缩—液桥断裂—主副熔滴运动入池过程呈周期性重复，观测周期重复性直接关联焊缝均匀性，若各周期的熔滴尺寸、断裂位置、入池角度一致，则代表熔池热输入稳定，可获得稳定的焊道宽度与熔深，若出现周期内熔滴尺寸波动变化、断裂提前或滞后、副熔滴数量增加等情况，则容易诱发焊道起伏、飞溅增加等风险。

4 实验结论

I. 通过中科君达视界提供的千眼狼高速摄像机与脉冲激光照明系统，捕捉了铝合金脉冲焊接中熔滴过渡的微秒级演化过程。

II. 实验结果表明熔滴从哑铃状颈缩到裂变为主+副熔滴的过程受电磁收缩力与表面张力、等离子体剪切、重力多力耦合竞争结果。

III. 工艺层面，颈缩阶段的轴对称性与断裂阶段副熔滴的侧向动量，可表征铝合金脉冲焊接稳定性与飞溅，通过高速摄像机的观测，将为脉冲波形优化、飞溅抑制及焊缝成形一致性提供可视化依据。