[發明專利]模擬激光深熔焊接小孔內壓力及其特性的檢測方法

有效

• 申請號: 201010552020.1
• 申請日: 2010-11-18
• 公開（公告）號: CN102072794A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 張屹;陳根余;李時春;金湘中
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01N9/24;G01K11/32;B23K26/42
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術領域

本發明涉及一種激光焊接過程中焊接小孔內壓力的檢查方法，具體為一種模擬激光深熔焊接過程中焊接小孔內壓力及其特性的檢測方法。

背景技術

激光深熔焊接過程中，材料劇烈氣化產生的壓力將熔融材料拋出，形成焊接小孔，進入小孔的激光束通過孔壁的多次反射而幾乎被完全吸收。在激光深熔焊接過程中焊接小孔的穩定形成對激光焊接過程的穩定進行和激光能量吸收非常重要，同時小孔的深度決定了焊接過程的熔透深度。激光深熔焊接時焊接小孔的動態穩定是由小孔內各種力的動態平衡決定，各種力包括表面張力、蒸汽壓力、燒蝕壓力、靜壓力、等離子體壓力等。在激光深熔焊接中，只有當小孔內的各種壓力達到動態平衡，才能形成動態穩定的焊接小孔進而得到動態穩定的焊接過程；焊接小孔內任何某種力的擾動都會破壞小孔的動態穩定使得焊接過程波動降低焊接質量。由此可知對激光深熔焊接小孔內壓力的研究對保持穩定的焊接過程至關重要。國內外對激光焊接小孔內壓力的研究較少。其中，TKlein等人從理論分析了激光深熔焊接小孔波動的數學模型，分析了在忽略等離子體時焊接小孔的壓力平衡由表面張力、燒蝕壓力、蒸氣壓力組成，其中燒蝕壓力、蒸氣壓力與溫度(此處溫度對應于能量)相關，任一壓力和能量的擾動都會引起小孔的不穩定。Z等人引用T?Klein的小孔壓力平衡理論并在其的基礎上增加了熔池液體的靜壓力和輔助氣體壓力，分析了小孔壓力平衡理論。同時，文中采用麥克風采集焊接過程中由小孔內壓力變化產生壓力波進而形成的聲波信號，研究了焊接過程中與小孔壓力波動對應的聲信號波動特性。國內的劉京雷等人試驗采集了激光深熔焊接過程中的聲信號，分析了信號與焊縫熔深的相關性。

但是現有的文獻中仍然沒有直接檢測焊接小孔內的實際壓力大小，而只是對與壓力特性相關的聲信號特性進行研究。另外對焊接過程中的壓力檢測，亦沒有文獻報道精確定位檢測焊接小孔內外的壓力信號分布。因此，本發明提出通過檢測深熔焊接小孔內的等離子體光信號間接計算得出小孔內等離子體壓力，并設計了一種等離子體光信號檢測裝置，以精確采集焊接小孔內不同位置的等離子體光信號，從而得到焊接小孔內的等離子體壓力分布。

目前國內外對激光深熔焊接小孔內等離子體光信號的檢測主要有以下方法：公開號為CN201096521的“非接觸式等離子體溫度和電子密度測量裝置”專利中提供的通過光纖測量單點溫度的測量方法。公開號為CN101387559的“光致等離子體溫度空間分布的探測裝置及探測方法”專利中采用多通道光纖近距離采集焊接小孔內等離子體光信號。中國工程物理研究所研制的一個以光纖作為接受、傳輸光能的六通道光學溫度計，用于研究沖擊加載下材料的輻射性能。國外報道了采用光學多通道分析儀(OMA)來測量等離子體溫度的方法，它主要由光柵分光得到一束單色光，每次只能得到一個波長下的譜線。同樣有國外文獻報道了采用光電傳感器從小孔上方不同傾斜角度采集等離子體光信號并通過相應處理得到不同深度的等離子體光信號。但是以上各方法在信號采集定位精度上都有一定誤差。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明旨在提供一種模擬激光深熔焊接小孔內壓力及其特性的檢測方法，該方法只需要采集激光深熔焊接過程中小孔內等離子體光信號計算出等離子體的電子溫度和密度，便可得出等離子體的壓力的方法。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：模擬激光深熔焊接小孔內壓力及其特性的檢測方法，其特點是：

(a)、檢測裝置的組成：所述檢測裝置包括透鏡、傳導光纖、固定該傳導光纖的光纖固定裝置、采集該傳導光纖傳導出的光信號的光譜采集系統；所述光譜采集系統包括與傳導光纖輸出端相連的光譜分析儀，與該光譜分析儀輸出端相連的電腦；

待檢測的金屬片與至少一層GG17玻璃固定在一起，激光沿金屬片的上表面掃描，激光焊接金屬片產生的等離子體輻射光從焊接小孔的一側或兩側透過GG17玻璃透射出來，由所述檢測裝置采集等離子體光信號；在焊接過程等離子體光信號實時檢測過程中，所述透鏡、傳導光纖固定端和激光束的相對位置保持不變；

(b)、檢測方法：首先通過所述檢測裝置采集激光深熔焊接過程中焊接小孔內等離子體光信號，由光信號計算出等離子體電子溫度T_e和等離子體電子密度n_e，然后根據在局部熱力學平衡假設條件下和現有理論基礎上推導出的等離子體壓力P與等離子體電子溫度T_e和等離子體電子密度n_e的關系表達式得出小孔內等離子體壓力P；