[發明專利]檢測激光等離子體的光電探針及其使用方法

有效

• 申請號: 201110360537.5
• 申請日: 2011-11-14
• 公開（公告）號: CN102507513A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 楊立軍;徐文豪;石文玲;張偉超;劉威;李桓
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01N27/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 曹玉平

技術領域

本發明是關于激光焊檢測過程的檢測裝置的，尤其涉及一種檢測激光焊過程中激光等離子體性質的光電探針及其使用方法。

背景技術

激光焊工藝作為激光加工工藝的重要分支，以其能量密度高，焊接熱輸入小，焊速高等優點日益受到重視。在激光焊過程中，會產生光致等離子體，亦稱激光等離子體，對焊接過程有重要影響，甚至可以決定焊接的成功與否。激光等離子體內部會發生金屬蒸發，能量的輻射、散射與吸收，對激光產生屏蔽作用，直接影響著焊接過程。本發明的應用目的就是探測激光等離子體，認識激光等離子體內部作用機制和性質，有助于實施對激光焊過程的質量監控。

在激光加工過程中，對激光等離子體的診斷與檢測主要有聲、電、光及光譜等方面的方法與手段，聲、光信號較為適合宏觀檢測；電信號則應用較少。其中光譜診斷法是檢測等離子體內部狀態及其變化的主要方法之一，以其非接觸、信息多維豐富的特點得到廣泛應用，其中又以輻射光譜的檢測更為常用。利用長直細管制作的光探針進行等離子體光譜檢測，是一種較好的光譜檢測手段，并已有相關的應用(Zhiyong?Li，Lijun?Yang，Ying?Gao，et?al..Analysis?of?the?hybrid?pulsed?MAG-YAG?laser?plasma?with?synchronization?of?multiple?signals[J]，Journal?of?Laser?Applications，2010，Vol.22?Iss3，106～110)。

但是，等離子體光譜診斷也受到一些因素影響。首先，光譜信號的采集對采集位置、角度、光路傳輸等方面有很高的精度要求，檢測條件稍有變化就會造成很大的數據誤差，影響檢測結果的一致性和準確性。其次，激光焊過程的激光等離子體存在一定的波動現象，目前的光譜檢測裝置雖然能夠對這種瞬態過程進行檢測，然而需要后期處理，不利于實時的激光焊過程質量監控。

在利用電探針檢測等離子體方面，以Langmuir探針應用最廣，這是一種有源探針，適合穩態等離子體的檢測。本發明擬采用無源電探針方法，可以實時探測等離子體溫度，無源電探針方法也已有電弧等離子體上應用的先例(傅育文，胡繩蓀，易小林，等.等離子云信號檢測與影響因素分析[J]，焊接學報，2003.10，第24卷第5期，29～32)。

本發明則是將無源電探針方法和光探針方法有機結合，針對激光等離子云(熔池外激光等離子體)，光譜信號與電信號同步實時檢測，在時間和空間上對激光等離子體狀態及其狀態的變化進行精細分析。光探針可以探測很小局部的等離子體信號，光探針掃描檢測可以進行整體的探測；無源電探針可以實時探測等離子體溫度。本發明主要面向具有一定波動性的激光焊光致等離子體，電信號檢測可以實時反映等離子體內溫度的變化，是重要的時間參照，在此基礎上研究光譜檢測豐富的信息內容，光電信號相互對照，實現對激光等離子體較高時空分辨率的實時過程檢測，對于激光焊過程質量監控具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是，克服現有技術的激光等離子體光譜診斷時因受到一些因素影響時造成由于激光等離子體存在一定的波動現象而不利于實時質量監控的缺陷，提供一種將光探針與電探針有機結合、對激光等離子云(熔池外激光等離子體)的光電信號進行同步實時檢測的探針式光電檢測裝置及其使用方法。

本發明通過如下技術方案予以實現。

一種檢測激光等離子體的光電探針，包括光導纖維、密閉腔和導線，其特征在于，所述光導纖維由密閉腔引出，密閉腔的另一端的中心位置設置有中空管的光探針，光探針采集的光信號經過中空管進入密閉腔后由光導纖維輸出到光譜儀；在與光探針相鄰1～20mm的平行位置設置有電探針，電探針可以圍繞光探針進行旋轉調節，電探針后端接導線引出電信號；所述電探針為鎢棒，其長度為50～100mm，直徑1～2mm，鎢棒的外周設置有陶瓷包裹層，鎢棒的前端部為裸露鎢極，裸露鎢極的長度為2～5mm；所述密閉腔的長度為50～60mm，內徑5～15mm；所述光探針的伸出長度為30～50mm，內徑不超過1.5mm，外徑尺寸便于安裝即可。

所述密閉腔為圓筒形，具有一定強度，使用過程中不發生影響光信號傳輸的變形。

檢測激光等離子體的光電探針的使用方法，具有如下步驟：

(1)檢測前準備：將光纖與光譜儀連接，電探針導線與數據采集電路連接，數據采集電路包含信號放大處理電路和數據采集卡，光譜儀與數據采集卡連接到計算機，由計算機統一處理兩者采集的信息；