[發(fā)明專利]金屬材料深熔焊接小孔內(nèi)等離子體全方位直接觀測的方法

有效

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• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109226987B
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金湘中;蔣志偉;周昕宇
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號: B23K28/00
• 分類號: B23K28/00;B23K31/00
• 代理公司: 長沙歐諾專利代理事務(wù)所(普通合伙) 43234
• 代理人: 歐穎

本發(fā)明提供一種金屬材料深熔焊接小孔內(nèi)等離子體全方位直接觀測的方法，包括使用一種復(fù)合試件，復(fù)合試件包括在上的金屬試件和在下的GG17試件，金屬試件和GG17試件的結(jié)合面與復(fù)合試件的頂面之間呈n度夾角，且0°＜n＜90°；所述方法包括，步驟A、使得復(fù)合試件的頂面處于水平面內(nèi)，且在所述復(fù)合試件的上方設(shè)置焊接頭，且焊接頭的激光或電子束的入射方向?yàn)樨Q直向下；并設(shè)置包括光纖和光譜儀的光譜信號檢測部件；步驟B、啟動焊接頭對復(fù)合試件進(jìn)行深熔焊接，焊接方向?yàn)樗矫鎯?nèi)與交線L垂直的方向。本發(fā)明提供的方法可對小孔內(nèi)等離子體全方位直接觀測，不存在觀測死角，為等離子體反韌致輻射吸收的研究提供準(zhǔn)確的孔內(nèi)等離子體參數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及深熔焊接領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料深熔焊接小孔內(nèi)等離子體全方位直接觀測的方法。

背景技術(shù)

作為一種優(yōu)質(zhì)、高效的焊接方法，深熔焊接(包括激光、電子束等)具有焊接速度快、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，在鋼鐵、核電、航空航天、軌道交通、汽車、電子工業(yè)等軍工、民用重大工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在交通運(yùn)載工具的輕量化(薄壁構(gòu)件及鋁、鎂合金等輕質(zhì)材料的焊接)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

(一)小孔觀測技術(shù)現(xiàn)狀

深熔焊接(包括激光、電子束等)的本質(zhì)特征就是存在小孔(keyhole)，即當(dāng)高功率密度的聚焦激光或電子束照射工件材料，工件材料吸收激光或電子束的能量而產(chǎn)生熔化、氣化，繼而在氣化膨脹壓力的作用下，將熔融材料排開產(chǎn)生小孔。小孔的形成徹底改變了激光或電子束等與材料之間的能量耦合方式。小孔形成之前，激光或電子束的能量只能被工件表面吸收，再通過熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳輸，此時的焊接模式為傳導(dǎo)焊接；小孔形成以后，激光或電子束能進(jìn)入小孔內(nèi)部，其能量直接被工件內(nèi)部吸收，從而實(shí)現(xiàn)深熔焊接。因此，小孔的形成和維持是激光或電子束等深熔焊接得以實(shí)現(xiàn)的前提條件，小孔形狀的確定也成為了研究深熔焊接(包括激光、電子束等)過程能量耦合機(jī)制(即小孔效應(yīng))和深熔焊接機(jī)理的關(guān)鍵。

但是，在金屬材料的深熔焊接過程中，小孔被包裹于不透明的金屬材料之中，難以直接觀測。為此，多年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者一直在尋找觀測小孔的途徑，作了很多有益的嘗試。日本的Arata等人率先采用透明玻璃材料通過高速攝影的方法從側(cè)面直接觀測了激光深熔焊接小孔。由于其采用的是普通鈉玻璃，熔化溫度和氣化溫度相差很小，難以將小孔和其它高溫輻射區(qū)域區(qū)分開來，加之采用的激光功率(100瓦)過小，焊接速度(1mm/s)過低，沒能觀察到清晰的小孔形狀。對于不透明的金屬材料，Semak、Mohanty和Miyamato等人采用高速攝影的方法從工件上部觀測了激光深熔焊接過程中工件表面的小孔和熔池形狀。Arata和Matsunawa的研究小組則采用X射線穿透成像高速攝影方法從側(cè)面觀測了激光深熔焊接金屬時的小孔形狀，但效果不夠理想，因?yàn)閄射線照片反差很小，小孔形狀不夠清晰，難以用于進(jìn)一步的定量分析研究。Wang等人除采用X射線穿透成像方法從側(cè)面觀測激光深熔焊接金屬時的熔池形狀外，還分別在工件頂部和底部架設(shè)兩臺高速攝像機(jī)，用于觀測工件表面及底部的小孔形狀，但無法觀測工件內(nèi)部的小孔形狀。