激光熔焊等离子体膨胀速度及空间温度分布的检测方法与流程

本发明属于激光材料加工技术领域，具体涉及一种激光熔焊等离子体膨胀速度及空间温度分布的检测方法。

背景技术：

激光焊接是一种先进的焊接方法，与传统的弧焊方法相比，具有能量密度高、自动化程度高，热影响区小及工件变形程度小等优点。因而在航空航天、矿山机械、精密加工、船舶制造、汽车工业、电子及医疗器械加工领域得到了广泛的应用。通常，根据激光功率密度可以将激光焊接分为两种焊接模式，即激光热导焊及激光深熔焊。当激光器输出的激光功率密度在10⁴w/cm²到10⁵w/cm²范围内时，激光焊接模式一般为激光热导焊。激光能量被工件表层吸收，在短时间内，工件表面被熔化，随着激光束与工件的相对运动，形成了一条宽而浅的焊缝，其主要应用于薄板的焊接。在激光热导焊过程中，由于激光功率密度较低，通常情况下只是工件的表面被熔化，表层的热量通过热传导向工件传导，熔池较为稳定。通过近几年国内外专家学者的研究，已经基本掌握了其内部的传热传质原理，为激光热导焊的质量控制提供了坚实的理论基础。

然而，当激光功率密度达到一定阈值(一般在10⁵w/cm²到10⁷w/cm²)时，金属工件在高能激光束的作用下，被迅速加热至熔化，形成熔池，并引起材料表面的蒸发和气化，如图1(a)所示。随着熔池对激光能量的不断吸收，熔池内液态金属温度急剧升高并发生强烈的蒸发和汽化。当液态金属的蒸发速度足够大时，金属蒸气所产生的反冲压力会克服激光熔池中液态金属的表面张力，排开一部分液态金属，使高能激光束作用区域处下凹形成浅坑，如图1(b)所示。形成小坑后，由于激光束在小坑内的多重反射作用，熔池对激光能量的吸收率显著增加。随着高能激光束对工件的持续加热，由熔池中的剧烈金属蒸气所产生的蒸气压力会不断地压迫液态金属，使得浅坑进一步加深，并逐渐形成一个深而窄的匙孔状结构(可称之为小孔，如图1(c)所示)。当小孔形成后，进入小孔内的激光能量被小孔壁吸收并通过小孔壁传导致工件使得材料熔化。随着小孔的移动，形成一个深而窄的焊缝。需要说明的是，在激光深熔焊过程中产生的高温金属蒸气中有一定的初始自由电子，处在激光辐照区的自由电子将吸收能量而被加速，当自由电子具有足够的能量时，就会碰撞周围的金属蒸气粒子和气体粒子，使其发生电离，从而使电子密度雪崩式地增大，形成致密的激光焊接等离子体。通过以上的讨论可以发现，激光深熔焊接是一个极其复杂的物理化学过程，其中包含了材料的快速蒸发、熔化、气化、电离以及快速冷却和非平衡凝固等现象。涉及激光与焊接工件的相互作用，激光与等离子体的相互作用，小孔、等离子体与液态熔池的动态耦合作用，使得焊接区域往往处于动态的超常规热物理状态，其传热传质行为、非平衡凝固与组织演化过程远比采用常规热源焊接过程更为复杂。尤其是形成的小孔和等离子是激光深熔焊区别于激光热导焊的重要标志。等离子体本身不仅对激光能量有吸收、散射及折射作用，而且还会影响小孔和熔池的稳定性进而影响激光焊接质量，所以为了获得高质量的激光焊缝，有必要对激光深熔焊等离子体的特征进行深入的研究。现阶段，对于激光焊接等离子体的特征，主要是利用光谱诊断法对等离子体温度信息进行检测。但是对于处于在剧烈波动过程中的激光焊接等离子体而言，光谱检测法具有延时性，难以对等离子体空间温度分布进行实时动态检测。就等离子体的喷发速度而言，一般是通过高速摄像技术进行测量。由于激光焊接等离子体的喷发速度较快并处在剧烈的波动过程中，特别是在小孔开口处的等离子体具有很高的膨胀速度，这就对高速摄像设备的采集速率提出了更高的要求。综上所述，现阶段缺少一种稳定可靠的可用于对激光焊接等离子体喷发膨胀速度及空间温度进行检测的有效方法。在前期的研究中发现，激光焊接等离子体电信号可以反映等离子体的温度大小。在专利(201110360537.5)和专利(201310513676.6)对其所提出的无源电探针检测等离子体电信号的方法进行了说明。但是，由于其探针本身的局限性导致无法获得等离子体的喷发速度及温度的空间分布。例如在专利(201110360537.5)中采用的裸露钨极探针，虽然钨具有较高的熔点，但是当将其与具有很高温度的等离子体接触时，仍然会烧损，这就给检测结果造成了很大的误差。另外，对于专利(201310513676.6)中所提出的m型的铜管而言，虽然解决了探针的烧损问题，但是由于尺寸较大，故不适用于尺寸较小的等离子体空间温度分布的测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光熔焊等离子体膨胀速度及温度分布的检测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光熔焊等离子体空间温度分布的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；

步骤2，安装金属探针，所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极；

所述金属探针为纯铜管状金属探针，所述纯铜管状金属探针的外径为1～2mm，壁厚为0.2～0.5mm，所述纯铜管状金属探针两端分别连接冷却液进管和冷却液出管；

步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率为，焊接速度，保护气流量；

步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接等离子体温度；

其中te为等离子体温度，tb为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量；e为元电荷常数；

步骤5，改变所述金属探针的位置，保持步骤3中焊接参数保持不变，重复步骤4，获得新位置处的等离子体温度；

依据不同位置检测到的等离子体温度，即可获得等离子体温度分布。

上述技术方案中，所述步骤5重复至少两次。

上述技术方案中，所述保护气为氩气或氦气，流量为10l/min～30l/min。

上述技术方案中，所述金属探针通过夹持装置与激光头连接，金属探针轴线方向平行于焊接方向，并通过冷却液进管和冷却液出管冷却；所述金属探针在夹持装置作用下与激光头轴线呈夹角α，所述α范围在0°<α<10°，使得探针外径边沿与激光斑点边沿的距离w在0到3毫米之间，设置此角度的原因是为了防止，激光束直接与探针相接触。

上述技术方案中，所述工件材质为钢铁材料或铝合金材料。

上述技术方案中，所述步骤4，在焊接过程中通过冷却液进管向所述金属探针中持续通入冷却液。

一种激光熔焊等离子体温度分布的检测方法，所述温度分布为轴向温度分布，包括以下步骤：

步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；

步骤2，安装金属探针，激光斑点中心作为参考坐标系的原点o，激光入射方向的反方向为等离子体轴向的正方向，垂直于焊接方向为等离子体的径向；

所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极，设置探针位置在坐标(b,k)处；

所述金属探针为纯铜管状金属探针，所述纯铜管状金属探针的外径为1～2mm，壁厚为0.2～0.5mm，所述纯铜管状金属探针两端分别连接冷却液进管和冷却液出管；

步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率，焊接速度，保护气流量10l/min～30l/min；

步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接等离子体温度；

其中te为等离子体温度，tb为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量；e为元电荷常数；

步骤5，改变所述金属探针的位置依次检测位置(b,j)和(b,h)处的，保持步骤3中焊接参数保持不变，重复步骤4，获得位置(b,j)和(b,h)处的等离子体温度；

依据不同位置检测到的等离子体温度，即可获得等离子体轴向温度分布。

一种激光熔焊等离子体温度分布的检测方法，所述温度分布为径向温度分布，包括以下步骤：

步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；

步骤2，安装金属探针，激光斑点中心作为参考坐标系的原点o，激光入射方向的反方向为等离子体轴向的正方向，垂直于焊接方向为等离子体的径向；

所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极，设置探针位置在坐标(a,j)处；

所述金属探针为纯铜管状金属探针，所述纯铜管状金属探针的外径为1～2mm，壁厚为0.2～0.5mm，所述纯铜管状金属探针两端分别连接冷却液进管和冷却液出管；

步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率，焊接速度，保护气流量10l/min～30l/min；

步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接等离子体温度；

其中te为等离子体温度，tb为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量；e为元电荷常数；

步骤5，改变所述金属探针的位置依次检测位置(b,j)和(c,j)处的，保持步骤3中焊接参数保持不变，重复步骤4，获得位置(b,j)和(c,j)处的等离子体温度；

依据不同位置检测到的等离子体温度，即可获得等离子体径向温度分布。

一种激光熔焊等离子体膨胀温度分布的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；

步骤2，安装金属探针，激光斑点中心作为参考坐标系的原点o，激光入射方向的反方向为等离子体轴向的正方向，垂直于焊接方向为等离子体的径向；

所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极，所述金属探针为两根，将两个金属探针(l1和l2)等距离地放置在激光束两侧，距离原点分别为l,且使得两个探针距离工件表面的距离相同，其与工件表面的夹角都为β，其位置坐标分别为l1(-l,l·tanβ)和l2(l,l·tanβ)；

所述金属探针为纯铜管状金属探针；

步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率为，焊接速度，保护气流量10l/min～30l/min；

步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接在两根金属探针处的等离子体温度；

其中te为等离子体温度，tb为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量；e为元电荷常数。

一种激光熔焊等离子体膨胀速度的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；

步骤2，安装金属探针，激光斑点中心作为参考坐标系的原点o，激光入射方向的反方向为等离子体轴向的正方向，垂直于焊接方向为等离子体的径向；

所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极，所述金属探针为两根，将两个金属探针(l3和l4)放置在激光束两侧，距离原点分别为mo,no(mo＝no),使得两个探针距离工件表面的距离不同，l3探针与工件间的夹角为α，l4探针与工件间的夹角为γ，使得γ>α，其位置坐标分别为l3(-mo,mo·tanα)和l4(no,no·tanγ)；

所述金属探针为纯铜管状金属探针；

步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率为，焊接速度，保护气流量10l/min～30l/min；

步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电信号；

步骤5，得到两个探针采集到电信号间的时间差δt，便可得到两个探针间的等离子体平均喷发速度vp＝mo(tanγ—tanα)/δt。

本发明的优点和有益效果为：

针对以上关于激光焊接等离子体空间温度分布及喷发膨胀速度方面的局限性，本发明提出了一种新型的等离子体检测方法及装置。可以实现激光深熔焊过程中小孔形成初始阶段的等离子体喷发膨胀速度的检测，并可确定焊接稳定阶段中等离子体喷发频率及等离子体的空间温度分布规律。为更深入的了解激光深熔焊过程及焊接等离子体特征提供了一种稳定有效的实验方法。

附图说明

图1是激光深熔焊及小孔形成过程示意图，1：工件，2：激光束，3：等离子体，4：小孔形成初始阶段的熔池，5：小孔形成初始阶段形成的熔池浅坑，6：激光深熔焊过程中形成的小孔；

图2是激光深熔焊过程中等离子体探测原理示意图，1：工件，2：激光束，3：等离子体，6:激光深熔焊过程中形成的小孔,7:焊接熔池，8：探针,9:探针与工件间的电压；图3是采用的等离子体探针示意图,9:探针主体结构,10:用于探针冷却的通水嘴,11:用于探针冷却的通水管；

图4是采用等离子体探针对激光深熔焊等离子体空间温度分布规律进行检测的原理示意图,1:工件,2：激光束，3：等离子体，6：激光深熔焊过程中形成的小孔，7:焊接熔池，8：探针；

图5是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中小孔形成初期小孔开口处的等离子体外围温度的检测原理示意图,1:工件,2：激光束，3：等离子体，6：激光深熔焊过程中形成的小孔，7:焊接熔池，8：探针；

图6是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中等离子体喷发膨胀速度进行检测的原理示意图,1:工件,2：激光束，3：等离子体，6：激光深熔焊过程中形成的小孔，7:焊接熔池，8：探针；

图7是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中小孔形成初期小孔开口处的等离子体外围温度进行检测实际装置图,1:工件,8：探针，11：用于探针冷却的通水管，12：焊接夹具，13：探针夹持装置，14，工作台，15激光头；

图8是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中孔开口处的等离子体外围温度进行检测的实际装置侧视图,8：探针，11：用于探针冷却的通水管，12：焊接夹具，13：探针夹持装置，14，工作台，15激光头；

图9是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中小孔开口处的等离子体外围温度进行检测的实际装置正视图，1：工作台，8：探针；11：用于探针冷却的通水管，12：焊接夹具，13：探针夹持装置，14，工作台，15激光头；

图10是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中小孔开口处的等离子体外围温度进行检测的实际装置俯视图,8：探针，11：用于探针冷却的通水管，12：焊接夹具，13：探针夹持装置，14，工作台，15激光头；

图11是采用等离子体双探针法对激光深熔焊过程中小孔开口处的等离子体外围温度进行检测的实际装置局部放大图,8：探针，12：焊接夹具，13：探针夹持装置，14，工作台；

图12是由探针l1采集到的小孔开口处的等离子体电信号，其实验参数如实例1中所示；图13是由探针l2采集到的小孔开口处的等离子体电信号，其实验参数如实例1中所示；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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明所述的激光深熔焊过程中等离子体探测原理如图2所示，利用一个金属探针8与激光焊接等离子体3相接触，采集金属探针与工件间的电压即可获得等离子体电信号。根据之前的研究，激光焊接等离子体电信号可以反映等离子体温度的大小，如公式(1)所示。在公式(1)中，k,teme,mi,e分别是玻尔兹曼常数，等离子体电子温度，电子质量，离子质量和元电荷常数。另外，tb是深熔焊过程中孔内等离子体与小孔壁之间的接触温度，通常可认为是材料的沸点。本发明所采用的的探针如图3所示，探针主体8由纯铜制作，呈管状，其外径在1毫米至2mm之间，内径在0.6毫米至1毫米之间。其探针主体头尾两端加装通水嘴10和通水软管11。在激光焊接过程中，冷却水通过通水软管进入探针并对探针进行冷却，以保证探针主体不被高温等离子体烧损。如图2所示，焊接方向垂直于纸面，探针轴线方向平行于焊接方向。

激光深熔焊过程中等离子体空间温度分布规律的检测原理及步骤介绍如下。如图4所示，是采用等离子体探针对激光深熔焊等离子体空间温度分布规律进行检测的原理示意图,1:工件,2：激光束，3：等离子体，6：小孔，7:焊接熔池，8：探针。在激光深熔焊过程中，等离子体在轴向及径向是具有温度梯度的，即在平行于激光束方向和垂直于激光束方向上的等离子体具有不同的温度。将激光斑点中心作为参考坐标系的原点o，激光入射方向的反方向为等离子体轴向的正方向，垂直于焊接方向为等离子体的径向。通过设置探针在等离子体中的位置，即可获得在此位置的等离子体电信号，由此可获得此位置处的等离子体温度大小。

另外，本发明提出了一种利用双探针法对激光焊接等离子体的温度分布进行检测的方法。其目的是为了探究在激光焊接过程中等离子体在激光束两侧的温度分布，其检测结果可以反映等离子体的形态变化。其原理如图5所示，将两个探针(l1和l2)等距离地放置在激光束两侧，距离原点分别为l,且使得两个探针距离工件表面的距离相同，其与工件表面的夹角都为β。在焊接开始后，等离子体产生并向上以辐射状喷发，并与两个探针分别接触。利用电信号同步采集系统分别记录两个探针上采集到的等离子体电信。

本发明所述的激光深熔焊等离子体喷发膨胀速度的检测原理及步骤介绍如下。如图6所示，本发明采用双探针法对等离子体的喷发膨胀速度进行检测。将两个探针放置在激光束两侧，距离原点分别为mo,no(mo＝no),使得两个探针距离工件表面的距离不同，l3探针与工件间的夹角为α，l4探针与工件间的夹角为γ，使得γ>α。在焊接开始后，等离子体产生并向上以辐射状喷发，依次与两个探针分别接触。利用电信号同步采集系统分别记录两个探针上采集到的等离子体电信号，由此得到两个探针先后采集到电信号的时间差，便可得到等离子体在两个探针之间的平均喷发膨胀速度。

实施例一

一种激光熔焊等离子体膨胀温度分布的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，将工件放置在工作台上，304不锈钢作为工件，其尺寸为100mm×200mm×3mm并用焊接夹具夹紧；

步骤2，安装金属探针，激光斑点中心作为参考坐标系的原点o，激光入射方向的反方向为等离子体轴向的正方向，垂直于焊接方向为等离子体的径向；

且所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极，所述金属探针为两根，将两个金属探针(l1和l2)等距离地放置在激光束两侧，距离原点分别为l,且使得两个探针距离工件表面的距离相同，其与工件表面的夹角都为β，其位置坐标分别为l1(-l,l·tanβ)和l2(l,l·tanβ)；本实施例所应用的试验装置如图7所示，包括激光头15(nd:yag激光源)，三维工作台14，焊接夹具12，探针夹持装置13，工件1，探针8,等。探针、激光头及工件的相对位置如图8、图9及图10所示，局部放大图见图11。两个探针被探针夹持器固定在工件之上，其探针的轴线方向平行于焊接方向，激光头位于两个探针中部，探针与激光束中心o的距离l为2mm，与工件表面相距1mm。

所述金属探针为纯铜管状金属探针；

步骤3，设置焊接参数，将激光功率设置为1250w,焊接速度设置为3mm/s，激光束焦点位于工件表面(即离焦量为0mm)，保护气流量10l/min；

步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接在两根金属探针处的等离子体温度；

其中te为等离子体温度，tb为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量；e为元电荷常数。

采集到的信号如图12和图13所示。可以看到电信号l1和l2都处在一个稳定波动的状态，且两个电信号波动规律基本一致，

其幅值都位于-0.4v到-0.7v范围内。根据公式(1)说明等离子体的温度处于4181k到4955k之间。说明在上述焊接参数下，激光束两侧小孔开口处的等离子体形态并无明显区别，且等离子体外围的温度也基本一致。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。