基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置及方法

1.本发明属于焊接技术领域，特别是一种基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置及方法。


背景技术：

2.填丝焊不仅仅可以降低工件加工对于激光焊接的要求，而且可以通过使用不同的焊丝来改善焊缝的成分，同时还可以有效的避免焊缝冷却时产生的凝固裂纹，因此新型核燃料棒焊接、核电和电子等行业的器件内部高压气体封装、水下焊接和修复，水深每增加100米，则压力增大1mpa，等领域的应用越来越广泛，所以高压环境中激光填丝焊的相关物理机制的研究和装备的研发很有必要。
3.高压腔体的使用为高压焊接提供了所需要的高压环境。传统的高压环境焊接试验采用tig焊和mig焊等弧焊热源，将焊接头安装在腔体内部，造成腔体体积过大，通过增压泵打压的方式提高环境压力容易造成腔体内部气体残留，影响焊接结果且操作效率低下，而激光填丝焊则是外置激光热源内置焊丝，大大减小了腔体体积。
4.激光填丝焊与传统的激光自熔焊最大的不同在于添加了焊丝作为焊缝成形的补充材料，焊接质量的高低、焊缝成形的好坏与焊丝熔化时的状态有密不可分的关系。通常情况下，在激光填丝焊过程中熔滴的过渡形式大致分为三种，分别是颗粒过渡、混合过渡以及液桥过渡，这三种熔滴的过渡形式得到的焊接结果有很大的不同，因此研究在不同压力环境中熔滴的过渡行为是很有必要的。
5.在激光焊接过程中，激光束直接作用的区域上方会产生等离子体和金属蒸汽合称等离子体羽烟，激光束穿过等离子体羽烟时一部分能量会被等离子体吸收，还会发生激光束的折射和散射为题的发生，导致激光能量密度下降。高压环境中空间气体密度增大，在高温环境中有更多的气体被电离产生等离子体，与此同时环境压力的变化还会影响金属的熔沸点，使得金属蒸发过程受到影响，从而影响焊接的效率和质量，因此研究不同环境压力下的等离子体羽烟行为是很有必要的。
6.激光焊接时熔池的动态行为是影响焊接质量的重要研究对象，它直接决定了焊缝缺陷、焊缝组织等，等离子羽烟的产生和变化是驱动熔池流动的重要因素；同时在激光填丝焊过程中熔滴的过渡直接作用到熔池上，其过渡形式将会大大影响熔池的动态变化过程。两者可以直接影响到熔池流动、传热以及其稳定性。因此研究激光填丝焊过程中的等离子体羽烟变化和熔滴过渡形式对于提高焊接质量具有指导意义。
7.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置及方法，研究不同环境压力下的熔滴过渡行为、熔池行为和熔池动力学行为与
环境压力的关联关系，并通过控制环境压力控制熔滴过渡行为设计焊缝形态。
9.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置包括，
10.激光焊接头，其可控地发射激光束；
11.高压腔体，其包括，
12.进气口，其设于所述高压腔体一端且可通断地连通氩气瓶；
13.出气口，其设于所述高压腔体远离所述进气口的另一端，所述出气口和所述进气口调节所述高压腔体处于压力p下；
14.观察窗，其可视地设于所述高压腔体；
15.激光透射窗口，其设于所述高压腔体且对齐所述激光焊接头以导入所述激光束；
16.石英玻璃，其位于所述激光投射窗口相反于所述激光焊接头的一侧；
17.石英玻璃片，其可升降地连接于所述石英玻璃相反于所述石英玻璃的一侧以收集不同高度上激光焊接过程中产生的金属蒸汽纳米颗粒；
18.直线移动滑台，其设于所述高压腔体内，所述直线移动滑台包括，导轨，其在所述高压腔体内延伸；
19.移动滑块，其可滑动连接所述导轨，试样支承于所述移动滑块上以移动到焊接位置；
20.送丝滑轮组，其设于所述高压腔体内以输送焊丝到达所述焊接位置；
21.相机，其朝向所述观察窗以拍摄焊接过程的图像信息；
22.等离子体光谱仪，其以预定角度对准所述激光透射窗口以采集焊接过程产生的光谱信号；
23.处理器，其连接高压腔体、相机和等离子体光谱仪，基于所述图像信息和光谱信号以调节高压腔体内的压力。
24.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，所述图像信息包括焊接过程中产生的等离子体尺寸、焊丝的熔化状态信息和/或金属蒸汽纳米颗粒的数目范围。
25.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，所述进气口经由减压阀连接氩气瓶，所述减压阀连接所述处理器。
26.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，所述出气口设有背压阀，所述背压阀连接所述处理器。
27.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，所述直线移动滑台在高度方向上可调节。
28.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，所述直线移动滑台包括驱动所述移动滑块的电机，所述电机无线连接滑台遥控触发模块，所述送丝滑轮组无线连接送丝遥控触发模块，所述送丝遥控触发模块、分别与激光焊接头进行耦合使得试样、焊丝和激光束同时触发。
29.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，所述压力p为50pa-2.0mpa，所述预定角度为45度角。
30.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，处理器调节焊接过程随着压力p焊缝熔深h变化为，h＝6.5*p^(-0.264)，随着压力p的变化熔滴过渡t周期为t＝
36.4+0.24*p。
31.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置中，相机与观察窗之间设置有滤光片，石英玻璃对1070nm光纤激光的透射率大于等于95％。
32.所述的基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置的控制方法包括以下步骤，
33.试样放置在移动滑块以随移动滑动移动到焊接位置以及送丝滑轮组输送焊丝到达所述焊接位置，所述焊接位置处于石英玻璃片正下方；
34.激光焊接头朝焊接位置发出激光束，所述激光束的光斑中心与试样和焊丝的结合处重合，光斑一半在试样，另一半在焊丝上；
35.相机拍摄焊接过程的图像信息，等离子体光谱仪采集焊接过程产生的光谱信号，基于所述图像信息和光谱信号以调节高压腔体内的压力，使得焊接过程的激光填丝焊熔滴可控。
36.和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的氩气瓶的出口经减压阀之后与高压腔体连接，通过氩气瓶的开关控制气体的进入，通过调节其大小控制高压腔体内的压力水平，从而可以即时顺畅的调节高压腔体内部的压力水平，高压腔体的压力调节范围为50pa-2mpa，而且在调节过程中为无级调节，在焊接过程中激光焊接头位置保持不变，通过调节高压腔体内部直线移动滑台来实现连续位移，同时将滑台遥控触发模块和送丝遥控触发模块与激光电控柜耦合连接，实现移动、出光、送丝三位一体同步进行,在实际操作过程中，通过调节移动滑块的滑动速度控制焊接速度，通过调节送丝遥控触发模块的参数来控制送丝速度的大小，与此同时还可以通过调节石英玻璃片的高度，以收集不同高度上激光焊接过程中产生的金属蒸汽纳米颗粒，可以区分光束路径内外的纳米金属颗粒。另外，可以通过等离子体光谱仪以及相机检测焊接过程中激光与金属材料之间相互作用产生的等离子体尺寸和光谱信号以及焊丝的熔化转移过程，以达到观察控制不同环境压力下的激光填丝焊接熔滴熔化转移行为、熔滴熔池相互作用行为与环境压力之间的关联与联系的目的。
附图说明
37.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
38.在附图中：
39.图1是本发明的一个实施例的装置的示意图；
40.图2是激光透射窗口的示意图；
41.图3为本发明移动装置试样的示意图；
42.图4为镀膜透光石英玻璃的焊接过程纳米金属颗粒束流的示意图；
43.图5为试样示意图；
44.图6为环境压力对304不锈钢激光填丝焊焊缝和截面宏观形貌的影响图；
45.图7为环境压力对304不锈钢激光填丝焊过程中光束路径内、外纳米金属颗粒的影响图；
46.图8为环境压力对304不锈钢脉冲激光焊接中等离子体和金属熔融转移过程的影响图；
47.图9为环境压力对304不锈钢激光填丝焊过程中等离子体光谱的影响图；
48.上述图中：1为激光焊接头、2为激光透射窗口、3为高压腔体、4为观察窗、5为送丝滑轮组、6为相机、7为直线移动滑台、8为等离子体光谱仪、9为氩气瓶、10为背压阀、11为送丝嘴、12为试样、13为减压阀、14为第一橡胶圈、15为石英玻璃、16为石英玻璃片、17为第二橡胶圈、18-1为密封槽、18-2为透光孔、19为电机、20为移动滑台传送轮组、21为移动滑块、22为导轨、23为金属蒸汽颗粒、24为滤光片。
49.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
50.下面将参照附图1至图9更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
51.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
52.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
53.为了更好地理解，如图1至图9所示，一种基于环境压力变化控制激光填丝焊熔滴的装置包括：能高速摄影的相机6、等离子体光谱仪8及高压腔体3、氩气瓶9、激光焊接头1、减压阀13、背压阀10以及高压腔体3内部安置的电动的送丝滑轮组5、送丝遥控触发模块、微型的直线移动滑台7、滑台遥控触发模块、透光的石英玻璃15、石英玻璃片16。
54.焊接前处理过程包括：将送丝遥控触发模块、滑台遥控触发模块分别与激光焊接头进行耦合，保证三者可以同时触发；将电动的送丝滑轮组的送丝嘴11固定在高压腔体3内部合适位置；将试样固定在微型的直线移动滑台7的移动滑块21上并对位置进行调整；高压腔体3顶部设置有激光透射窗口2，高压腔体3前面设有观察窗4，将相机6对准观察窗4，等离子体光谱仪8保持45度角对准激光透射窗口2。
55.透光石英玻璃15位于试样12正上方，激光焊接头1发出激光穿过激光透射窗口2及透光的石英玻璃15照射到试样12上。
56.氩气瓶9出口经减压阀13通过管道ⅰ与高压腔体3在侧面相连。
57.在一个实施例中，高压腔体3的顶部激光透射窗口2分为密封槽18-1和透光孔18-2，两者从外到内依次分布，盖板3-1设置的透光窗口与高压腔体3顶部的激光透射窗口2大致相同，两者尺寸相差不超过10％，其底部设置有密封凹槽和透光孔，高压腔体3顶部激光
透射窗口2和盖板3-1顶部的透光窗口所设置的密封槽分别装有第一橡胶圈14和第二橡胶圈17，镀膜高纯的石英玻璃15的上侧位于高压腔体3顶部激光透射窗口2的透光玻璃槽内，其上表面与第一橡胶圈14接触，石英玻璃15的下表面与石英玻璃片16上表面接触，石英玻璃片16下表面与位于盖板所设的密封槽18-1内的第二橡胶圈
58.17接触。
59.在一个实施例中，高压腔体3侧面设置带有背压阀10的出气口ⅱ。如高速摄影机的相机6与观察窗4之间设置有滤光片25。石英玻璃15对1070nm光纤激光的透射率大于等于95％。焊接环境压力的水平控制通过安装在氩气瓶9处的减压阀13监测控制。
60.在一个实施例中，在焊接过程中不断通入气体或抽出气体，保证腔体内部气体流动动态平衡以维持环境压力水平，其压力水平控制范围为50pa-2.0mpa，在该范围内高压腔体3内部压力可以稳定保持；在焊接过程中保持工装、激光和送丝位置不变，通过微型的直线移动滑台实现移动滑块在某一方向上的移动，其焊接尺寸与高压腔体内部空间尺寸相关；焊接过程中使用缆式焊丝，空间狭小焊丝不宜预置过长，提高激光吸收效率、利于提高金属熔覆速率且提高焊丝刚度；送丝遥控触发模块、遥控滑台触发模块和激光发射联动，三者可以同时触发；直线移动滑台7可以调节重力方向上的高度；随着压力p的变化焊缝熔深h变化符合特征h＝6.5*p^(-0.264)，随着压力p的变化熔滴过渡t周期变化特征符合特征t＝36.4+0.24*p。
61.在一个实施例中，随着环境压力的变化熔滴过渡形式发生改变，在负压情况下，熔滴呈现小颗粒熔滴过渡和液桥过渡，在高压情况下熔滴呈现大颗粒的熔滴过渡。
62.在一个实施例中，装置包括氩气瓶9、激光焊接头1、减压阀13、相机6、等离子体光谱仪8、送丝滑轮组5、送丝嘴11、微型的直线移动滑台7、高压腔体3以及高压腔体3内部的石英玻璃15和石英玻璃片16；将微型的直线移动滑台7固定于高压腔体3内部，同时将电动的送丝滑轮组5安装在高压腔体3内部，送丝嘴11固定位置保证焊丝送出与激光束在适宜位置相交，送丝滑轮组5线缆通过铠装密封固头进行紧固连接，高压腔体3的顶部设置有激光透射窗口2，前面一侧设置有观察窗4，其中高速摄影的相机6对准正面观察窗4，等离子体光谱仪8以一定偏转角度对准顶部透射窗口；石英玻璃15和石英玻璃片16位于试样正上方，激光穿过激光透射窗口2及石英玻璃15和石英玻璃片16照射到焊丝25和试样12上；氩气瓶9的出口经过减压阀13与高压腔体3相连通。高压腔体的顶部激光透射窗口2分为密封槽18-1和透光孔18-2，两者从外到内依次分布，盖板设置的透光窗口与高压腔体顶部的激光透射窗口大致相同，其底部设置有密封凹槽以及透光孔，高压腔体3顶部激光透射窗口2和盖板顶部的透光窗口所设置的密封槽分别装有第一橡胶圈14、第二橡胶圈17，石英玻璃15上表面与第一橡胶圈14接触，其下表面与石英玻璃片16上表面接触，石英玻璃片16下表面与第二橡胶圈17接触。
63.高压腔体侧面设置有带背压阀10的出气口ⅱ。高速摄影的相机6与观察窗4之间设置有滤光片24。石英玻璃15和石英玻璃片16对1070nm光纤激光器的透射大于等于95％。
64.激光填丝焊中使用的焊丝为绞股焊丝25，焊丝之间存在空隙激光可以多次进行反射，有利于提高能量利用率。
65.在一个实施例中，高压腔体左右两侧分别设置有进气口ⅰ和出气口ⅱ，氩气瓶9出气口与减压阀13连接，经输气管道连接到高压腔体一侧的进气口ⅰ，气体充入高压腔体内
部，关闭另一侧背压阀10时提升腔体压力，打开背压阀10时开始放气减压；高压腔体3顶部设置有激光透射窗口2，焊接激光头1正对高压腔体顶部的激光透射窗口2，其所发射激光束进入透射孔穿过石英玻璃15和石英玻璃片16进入高压腔体3内部辐照到试样12与焊丝25的结合处进行焊接；高压腔体3正面设置有观察窗4，高速摄影的相机6对准前置观察窗4，等离子体光谱仪8以一定角度对准激光入射窗口2采集等离子体散发光束；高压腔体2内部设置有微型的直线移动滑台7和微型的送丝滑轮组5，微型的直线移动滑台7设有移动滑块21和导轨22，不锈钢的试样12放置在移动滑块21上，且可随滑块移动，微型的送丝滑轮组5则装配有铜质的送丝嘴11，可以完成送丝过程，此两者分别配置有送丝遥控触发模块和移动遥控触发模块。
66.高压腔体的顶部设置有激光透射窗口2，其主要由透光孔18-2和密封槽18-1组成，第一橡胶圈14置于透射窗口内密封槽中，且直接与石英玻璃15上表面接触，石英玻璃片下表面与石英玻璃片16上表面接触，石英薄玻璃片与置于盖板密封槽内的第二橡胶圈17直接接触。高压腔体3两侧分别设置有进气口ⅰ和带有背压阀10的出气口ⅱ；相机6对准观察窗，且两者之间存在滤光片24。
67.控制方法包括以下步骤，
68.1.将氩气瓶9与减压阀13连接，通过连接管道与高压工装3侧面的进气口ⅰ相连；
69.2.将微型的送丝滑轮组5和微型的直线移动滑台7放置到高压腔体3内部，并将焊丝25和待焊接的试样12固定到移动滑块21上；
70.3.依次按照透射窗口2-第一橡胶圈14-石英玻璃15-石英玻璃片16-第二密封胶圈17-盖板3-1的顺序进行紧固安装并保持密封；
71.4.紧固盖板3-1，将焊接激光头1对准激光透射窗口2，并使激光束光斑中心对准焊丝25和试样12结合位置；
72.5.打开氩气瓶9、减压阀13关闭背压阀10，保持30s，打开背压阀10排尽高压腔体3内部空气持续时间一分钟，然后关闭背压阀10开始充气，通过调节减压阀13使高压腔体3内部达到所需压力水平；
73.6.安装高速摄影的相机6和等离子体光谱仪8，高速摄影的相机6对准观察窗4，等离子体光谱仪8以45度角对准激光透射窗口2；
74.7.完成准备工作之后开始进行焊接，同时采集所需信息，完成焊接之后保持氩气环境，直至试样冷却，取出试样。
75.本方法可以实现无级变压的压力装置，具备体积小巧、易操作、可实现无级变压的特点，与现存的压力容器相比，可实现无级变压是本装备的一大特点，且具备一定的工作空间可以预置一定长度的焊丝并进行激光填丝焊接，通过这种试验装置可以随时调控焊接过程中的环境压力水平来控制熔滴过渡行为和焊缝的成形特征。
76.在一个实施方式中，本实验试样12和焊丝25均是304不锈钢，不锈钢的试样12和焊丝25接触，在实际焊接过程中，先将试样12和焊丝25进行打磨去除氧化皮，再用酒精进行擦拭，然后将不锈钢的试样12放置在移动滑块21上，预置部分焊丝接近试样表面，同时将透光的石英玻璃15和石英玻璃片16放置于试样的正上方，利用放置于密封槽内的第一橡胶圈14和第二橡胶圈将玻璃固定密封，再将激光焊接头的光斑中心与试样和焊丝的结合处重合，光斑一半在试样上一半在焊丝上，将高压腔体顶部的激光透射窗口2和前置观察窗4进行密
封处理，关闭背压阀10，打开氩气瓶9以及减压阀13，等待30s之后打开背压阀10排净高压腔体内部空气，排期过程持续一分钟，随后关闭背压阀10开始给高压腔体充气，使得高压腔体内部压力达到所需环境压力，然后关闭氩气瓶9和减压阀13；
77.打开高速摄影的相机6和等离子体光谱仪8，并将高速摄影的相机6完成对焦调距等操作，打开等离子体光谱仪8完成暗场定标操作，并将两者固定到相应位置，将激光束光斑中心对准焊丝25和试样12接触的位置进行焊接；增加滤光片24，通过高速摄影相机6进行拍摄，通过等离子体光谱仪8检测记录等离子的电子密度及试样温度，通过石英玻璃片16收集金属蒸汽颗粒23；
78.当完成试样焊接之后，保持一段时间的氩气环境，直到试样冷却，打开背压阀10释放高压腔体3内部的气体，使高压腔体的环境达到常压，然后将试样取出。
79.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。