一种等离子体电信号在线测量装置及方法与流程

本发明属于激光焊接相关技术领域，更具体地，涉及一种等离子体电信号在线测量装置及方法。

背景技术：

焊接技术是现代装备制造业中最为重要的制造工艺之一，而其中的激光焊接技术以其能量密度高度集中、热影响区小、焊接应力和变形小、自动化程度高、效率高等优点受到了广泛关注。同时，等离子体是激光焊接过程中高能激光束和母材中低熔点合金元素和保护气体之间的相互作用产生的。激光等离子体包含着激光焊接过程的大量信息，因此对激光等离子体的研究有着重要的意义。

等离子体的产生与维持过程中伴有强烈的特征信号，并通过声、电、光等信号体现出来。目前较为常用的对激光等离子体的检测方法主要有声、电、光及光谱等方法，其中较为常见的有声信号检测法、光信号检测法、微波检测法和探针检法等，如专利cn201110360537.5公开了一种检测激光等离子体的光电探针及其使用方法，该方法将无源电探针方法和光探针方法结合进行检测，又如专利cn201310513676.6公开了一种激光等离子体的无源电检测装置和方法，改进了电探针形状；专利cn201510664238.9公开了一种激光焊小孔等离子体电特性检测装置及方法，实现了对激光深熔焊模式下小孔等离子体电特性的检测。但是光信号采集对测量仪器的精度要求很高，同时上述三种方法由于检测位置位于焊缝附近，温度较高，无法用于万瓦级光纤激光焊接过程中等离子体电信号的测量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种等离子体电信号在线测量装置及方法，其基于现有等离子体信号测量方法的特点，研究及设计了一种适用于万瓦级光纤激光焊接的等离子体电信号在线测量装置及方法。所述等离子体电信号在线测量装置通过示波器、分流电阻、绝缘板及辅助板之间的布置及配合即可完成高精度的测量，无需精度要求较高的仪器，成本较低，结构简单，易于推广应用。此外，示波器与待焊接的工件分别位于绝缘板相背的两侧，示波器用于实时在线测量及显示等离子体电信号，测量电信号的位置远离焊缝使得不受高温影响，扩大了测量范围。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等离子体电信号在线测量装置，其适用于万瓦级光纤激光焊接，其特征在于：

所述等离子体电信号在线测量装置包括示波器、分流电阻、绝缘板及辅助板，所述绝缘板包括相对间隔设置的第一绝缘板及第二绝缘板，且所述第一绝缘板及所述第二绝缘板均水平设置；所述第一绝缘板用于承载待焊接的工件，所述辅助板设置在所述第二绝缘板上，其与待焊接的工件间隔设置；所述分流电阻的一端电性连接于所述辅助板，另一端用于电性连接所述工件；所述示波器并联于所述分流电阻相背的两端，其与待焊接的工件分别位于所述绝缘板相背的两侧；等离子体在焊接过程中将待焊接的工件与所述辅助板进行桥接，此时所述示波器实时在线记录及显示等离子体电信号。

进一步地，所述辅助板的材料、厚度分别与待焊接的工件的材料、厚度相一致。

进一步地，所述第一绝缘板与所述第二绝缘板之间的间隔为0.5mm～1.2mm。

进一步地，所述分流电阻的阻值为8ω～12ω。

进一步地，所述绝缘板是采用耐高温陶瓷材料制成的。

进一步地，所述第一绝缘板的厚度与所述第二绝缘板的厚度相同。

按照本发明的另一方面，提供了一种等离子体电信号在线测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的等离子体电信号在线测量装置，将所述绝缘板设置在工作台上，并将工件设置在第一绝缘板上，所述工件与所述辅助板相对间隔设置；

(2)将所述另一端与所述工件电性连接；

(3)设置所述示波器的参数，并选择光纤激光器的参数后进行焊接，同时向熔池吹送保护气体，所述示波器实时记录及显示焊接过程中的等离子体电信号。

进一步地，所述工件与所述绝缘板之间的间隙为0.85mm。

进一步地，所述工件与所述分流电阻之间的连接点与所述辅助板与所述分流电阻之间的连接点之间的连线平行于焊缝，且所述连线与焊缝之间的间距为0.5mm。

进一步地，所述保护气体的流量为10l/min，且其为氮气、氦气及氩气中的任一种。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的等离子体电信号在线测量装置及方法主要具有以下有益效果：

1.所述等离子体电信号在线测量装置通过示波器、分流电阻、绝缘板及辅助板之间的布置及配合即可完成高精度的测量，无需精度要求较高的仪器，成本较低，结构简单，易于推广应用；

2.示波器与待焊接的工件分别位于绝缘板相背的两侧，示波器用于实时在线测量及显示等离子体电信号，测量电信号的位置远离焊缝使得不受高温影响，扩大了测量范围；

3.所述等离子体电信号在线测量装置适用于万瓦级光纤激光焊接，灵活性较高，适用范围较广。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的等离子体电信号在线测量装置使用时的状态示意图；

图2是采用图1中的等离子体电信号在线测量装置进行测量的分流电阻的电压示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-示波器，2-分流电阻，3-导线，4-绝缘板，5-工件，6-焊池，7-等离子体，8-匙孔，9-等小电流，10-辅助板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的等离子体电信号在线测量装置，所述等离子体电信号在线测量装置包括示波器1、分流电阻2、绝缘板4及辅助板10，所述分流电阻2的一端与所述辅助板10电性连接，另一端用于与待焊接的工件5电性连接。所述示波器1的两端分别与所述分流电阻2的两端电性连接，即所述示波器1与所述分流电阻2并联。所述示波器1用于实时显示所述分流电阻1的电信号。本实施方式中，所述分流电阻2与所述工件5之间及所述分流电阻2与所述辅助板10之间均是通过导线3相连接；所述工件5与所述分流电阻2之间的连接点与所述辅助板10与所述分流电阻2之间的连接点之间的连线平行于焊缝；所述分流电阻2的阻值为8ω～12ω；所述示波器1与所述工件5分别位于所述绝缘板4相背的两侧。

所述绝缘板4设置在工作台上，其用于保证所述工件5与工作台绝缘及所述辅助板10与所述工作台绝缘且不短路。所述绝缘板4包括第一绝缘板及第二绝缘板，所述第一绝缘板与所述第二绝缘板间隔设置，且两者均水平设置。本实施方式中，所述第一绝缘板用于承载所述工件5，所述第二绝缘板用于承载所述辅助板10，所述第一绝缘板的厚度与所述第二绝缘板的厚度相同；所述第一绝缘板与所述第二绝缘板之间的间隔为0.5mm～1.2mm；所述绝缘板4是由耐高温材料制成的，优选采用耐高温陶瓷材料制成。

所述辅助板10设置在所述第二绝缘板上，其材料、厚度与所述工件5的材料、厚度相一致。焊接过程中所形成的等离子体7随着激光束的移动而移动，使得所述等离子体7在所述辅助板10与所述工件5之间的间隙处与所述辅助板10桥接，此时所述工件5、所述辅助板10及所述分流电阻2形成回路，即可通过测量所述分流电阻2的电信号来测量所述等离子体的电信号。

本发明还提供了等离子体电信号在线测量方法，该等离子体电信号在线测量方法包括以下步骤：

步骤一，提供如上所述的等离子体电信号在线测量装置，将所述绝缘板4设置在所述工作台上，并将工件5设置在所述第一绝缘板上，所述工件5与所述辅助板10间隔设置。本实施方式选用光纤激光焊接器，激光器参数为功率3kw，焊接速度为5m/min；焊接过程采用氦气为保护气体，he气流量为10l/min，工件材料选用almgsi1，工件厚度为4mm；辅助板10材料选用almgsi1，厚度选用4mm，分流电阻的阻值为10ω；所述绝缘板4选用耐高温绝缘玻璃，厚度为4mm；所述工件5与所述绝缘板10之间的间隙为0.85mm。

步骤二，将所述分流电阻2与连接于所述辅助板10的一端相背的一端与所述工件5电性连接。本实施方式中，所述工件5与所述分流电阻2之间的连接点与所述辅助板10与所述分流电阻2之间的连接点之间的连线平行于焊缝，且所述连线与焊缝之间的间距为0.5mm。

步骤三，设置所述示波器1的参数，并选择光纤激光器参数后进行焊接，同时向熔池6吹送保护气体，所述示波器1实时记录及显示焊接过程中的等离子体电信号。本实施方式中，所述保护气体为氮气、氦气及氩气中的任一种。

由图2可见，焊接过程中产生有等效电流9及等离子体7，焊接过程分为四个阶段，第一阶段为匙孔8离所述辅助板10与所述工件5之间的间隙具有一定距离，此时所述等离子体7未桥接所述辅助板10和所述工件5，电信号为0；随着焊缝的移动，所述等离子体7将所述辅助板10及所述工件5进行桥接，进入第二阶段，此时为临界状态，且产生了电信号；第三阶段为激光束移动到所述工件5与所述辅助板10之间的间隙附近，此时所述工件5与所述辅助板10再次绝缘，电信号消失；最后一个阶段为所述匙孔8移动到所述辅助板10上，此时所述工件5与所述辅助板10再次桥接，但此时的等效电流9的方向与第二阶段的等效电流9的方向相反，故产出反向电信号。

本发明提供的等离子体电信号在线测量装置及方法，所述等离子体电信号在线测量装置通过示波器、分流电阻、绝缘板及辅助板之间的布置及配合即可完成高精度的测量，无需精度要求较高的仪器，成本较低，结构简单，易于推广应用。此外，示波器与待焊接的工件分别位于绝缘板相背的两侧，示波器用于实时在线测量及显示等离子体电信号，测量电信号的位置远离焊缝使得不受高温影响，扩大了测量范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。