深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步观测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步观测装置及方法，所述观测装置包括复合试件、计算机、CNC工作台、复合试件夹具、L形光管、镀膜镜片、以及设置在复合试件下方的图像拍摄部件和光谱信号检测部件；L形光管包括固定连接设置的两根金属圆管以及在其外折角处因斜面切割而形成的镂空孔；所述镀膜镜片设置在所述L形光管的镂空孔位置，且将入射光分为一束透射光和一束反射光，二者均用于为所述图像拍摄部件或光谱信号检测部件提供光源；所述装置还包括设置在与复合试件顶部同等高度处的图像拍摄部件和光谱信号检测部件。使用本发明专利技术所述装置可以同时精准地检测小孔内外的等离子体和小孔形貌。

【技术实现步骤摘要】
深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步观测装置及方法
本专利技术涉及深熔焊接领域，具体涉及一种金属材料深熔焊接小孔形貌及孔内外等离子体全方位同步直接观测的装置及方法。
技术介绍
作为一种优质、高效的焊接方法，深熔焊接(包括激光、电子束等)具有焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区和焊接变形小等优点，在钢铁、核电、航空航天、轨道交通、汽车、电子工业等军工、民用重大工程中得到了越来越广泛的应用，特别是在交通运载工具的轻量化(薄壁构件及铝、镁合金等轻质材料的焊接)中发挥着越来越重要的作用。(一)小孔形貌观测技术现状深熔焊接(包括激光、电子束等)的本质特征就是存在小孔(keyhole)，即当高功率密度的聚焦激光或电子束照射工件材料，工件材料吸收激光或电子束的能量而产生熔化、气化，继而在气化膨胀压力的作用下，将熔融材料排开产生小孔。小孔的形成彻底改变了激光或电子束等与材料之间的能量耦合方式。小孔形成之前，激光或电子束的能量只能被工件表面吸收，再通过热传导向工件内部传输，此时的焊接模式为传导焊接；小孔形成以后，激光或电子束能进入小孔内部，其能量直接被工件内部吸收，从而实现深熔焊接。因此，小孔的形成和维持是激光或电子束等深熔焊接得以实现的前提条件，小孔形状的确定也成为了研究深熔焊接(包括激光、电子束等)过程能量耦合机制(即小孔效应)和深熔焊接机理的关键。但是，在金属材料的深熔焊接过程中，小孔被包裹于不透明的金属材料之中，难以直接观测。为此，多年来，国内外众多学者一直在寻找观测小孔的途径，作了很多有益的尝试。日本的Arata等人率先采用透明玻璃材料通过高速摄影的方法从侧面直接观测了激光深熔焊接小孔。由于其采用的是普通钠玻璃，熔化温度和气化温度相差很小，难以将小孔和其它高温辐射区域区分开来，加之采用的激光功率(100瓦)过小，焊接速度(1mm/s)过低，没能观察到清晰的小孔形状。对于不透明的金属材料，Semak、Mohanty和Miyamato等人采用高速摄影的方法从工件上部观测了激光深熔焊接过程中工件表面的小孔和熔池形状。Arata和Matsunawa的研究小组则采用X射线穿透成像高速摄影方法从侧面观测了激光深熔焊接金属时的小孔形状，但效果不够理想，因为X射线照片反差很小，小孔形状不够清晰，难以用于进一步的定量分析研究。Wang等人除采用X射线穿透成像方法从侧面观测激光深熔焊接金属时的熔池形状外，还分别在工件顶部和底部架设两台高速摄像机，用于观测工件表面及底部的小孔形状，但无法观测工件内部的小孔形状。申请人也对激光深熔焊接过程中小孔的直接观测作了一些有益的尝试，并不断改进了观测方法。与Arata等人的思路相似，申请人最初也尝试用透明材料来直接观测激光深熔焊接小孔。申请人找到了一种可很好应用于模拟激光深熔焊接试验的透明材料——GG17玻璃，取代Arata等人所用的普通钠玻璃，由于GG17玻璃的软化温度和气化温度相差很远，且抗热震性好，在焊接过程中不易炸裂，能够避免激光深熔焊接小孔的塌陷或穿透，保证小孔完整而不失真，透过其观察激光深熔焊接时的小孔形貌是完全可行的。采用这种透明试件材料，通过高速摄影方法，完整而清晰地观测到了激光深熔焊接时的小孔形状。随后，为了直接观测激光深熔焊接金属材料时的小孔形状，申请人实验装置进行了改进，提出并采用在两块GG17玻璃之间夹多层铝膜(即所谓的“三明治”方法)，聚焦激光直接入射到铝膜上部并沿铝膜运动(GG17与铝膜的结合面与焊接方向平行，且焊接方向处于水平面内)的方法，来模拟激光深熔焊接金属材料过程，透过GG17玻璃从侧面成功地观测到了小孔的形状。但是，这种方法有一个显著缺点：焊接所用的金属膜层是一种疏松的结构，这与焊接时用的致密工件的实际情况有着很大的差异，因为疏松的多层铝膜对激光深熔焊接过程中的传热、传质以及激光能量的吸收与传输过程的影响与工程实际中用的致密铝合金材料有很大的不同，观察得到的小孔及熔池形状也与焊接致密工件材料时的实际情况有着很大的不同。用这样的小孔来对小孔效应进行理论研究，尤其是计算激光通过孔壁的多次反射吸收(Fresnel吸收)和孔内等离子体的逆韧致辐射吸收的激光功率密度分布，其计算结果是难以让人信服的。为了克服上述“三明治”模拟焊接方法的缺点，申请人对该方法作出了进一步的改进，采用双层复合工件(一半为工程实际中广泛使用的致密铝合金，另一半为透明的GG17玻璃)取代“三明治”结构的工件，通过高速摄影的方法，利用GG17玻璃蒸汽和金属等离子体的发光强度的差异，透过透明玻璃材料从侧面直接观测激光深熔焊接铝合金时的小孔、熔池形状。这一改进型“三明治”方法迅速得到了国内研究者的应用。但是，采用前述的三种实验装置，均只能实现透过透明玻璃材料从侧面直接观测激光深熔焊接铝合金时的小孔形状，不能实现小孔的全方位观测。为了实现小孔的全方位直接观测，申请人进行了一系列的改进。设计了一种复合试件(在上的金属试件和在下的GG17试件)，整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°。将复合试件置于焊接头下方，合理布置观测小孔形貌的图像拍摄部件，如图1所示，实现了对金属材料深熔焊接小孔的全方位直接测量。或者具体见专利技术专利CN201811336359.0和CN201811336351.4。(二)等离子体观测技术现状在深熔焊接(包括激光、电子束等)过程中，小孔形成以后，在高功率密度的聚焦激光或电子束作用下，孔内金属蒸汽发生电离而形成等离子体。等离子体通过反韧致辐射吸收激光能量，继而将吸收的能量通过对流、导热和热辐射的方式传递给工件材料。等离子体对激光的反韧致辐射吸收是小孔效应的另一个重要方面。不同密度、体积和状态的等离子体会对经过的激光束造成不同程度的影响，由于等离子体的出现，使得激光能量存在两种吸收机制，菲涅尔吸收和反韧致辐射吸收。要深入研究等离子体对激光的反韧致辐射吸收，必须掌握激光焊接过程中产生的等离子体的全部信息。激光束作用于加工工件产生的等离子体称作光致等离子体，根据等离子体所在工件的不同位置可分为孔外等离子体和孔内等离子体。孔外等离子体由于便于观测，目前国内外研究较多。而孔内等离子体由于包裹在不透明的金属材料之中，很难直接观测，各国学者一直在寻找其实验观测的途径。Miyamoto等人通过在工件上部按一定角度布置一系列光电二极管的方式来研究小孔内等离子体的辐射光谱。但是，由于激光深熔焊接过程中小孔的弯曲，存在观测死角，故用这种方法很难得到小孔内等离子体辐射光谱的全部信息。张屹等人基于“三明治”方案，采用分光镜直接观测孔内等离子体，并计算了其温度和密度。由于前述“三明治”方案的固有缺陷，其结果也是难以令人信服的。申请人曾提出了一种直接观测孔内等离子体的方法，该方法采用的GG17玻璃为非晶体，其谱线为连续谱线，没有任何可以识别特征谱线，且对铝合金中合金元素的辐射光谱波段没有选择性吸收，透过这种玻璃材料可以清楚地观测到铝合金中的合金元素在激光深熔焊接过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步观测装置，所述装置包括复合试件(23)、计算机(5)、CNC工作台(6)、复合试件夹具(7)、L形光管(18)、镀膜镜片(22)、以及设置在复合试件下方的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件；所述复合试件包括在上的金属试件(231)和在下的石英玻璃试件(232)，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与石英玻璃试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和石英玻璃试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述复合试件夹具(7)包括用于与CNC工作台(6)连接的支架(76)和用于夹持和支撑固定复合试件的复合试件支夹部件；所述L形光管(18)包括呈L形固定连接设置的两根金属圆管以及在其外折角处因斜面切割而形成的镂空孔，所述两根金属圆管分别为竖直的入射管和水平的反射管；所述镀膜镜片(22)设置在所述L形光管(18)的镂空孔位置，且所述镀膜镜片(22)将入射光分为一束透射光和一束反射光，所述透射光用于为所述图像拍摄部件或光谱信号检测部件提供光源，所述反射光用于为图像拍摄部件和光谱信号检测部件中的另一个提供光源，所述镀膜镜片分出的透射光和反射光用于使得图像拍摄部件在观测深熔焊接小孔形貌的同时所述光谱信号检测部件能实时检测深熔焊接小孔内的等离子体；所述图像拍摄部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、滤光片和摄像机；所述光谱信号检测部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、光纤固定板和光谱仪；所述计算机(5)与图像拍摄部件中的摄像机以及与光谱信号检测部件中的光谱仪连接，所述计算机(5)还能用于与所述CNC工作台(6)连接；/n所述深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步直接观测装置还包括设置在与复合试件顶部同等高度处的且用于观测小孔外等离子体情况的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件。/n...

【技术特征摘要】
1.一种深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步观测装置，所述装置包括复合试件(23)、计算机(5)、CNC工作台(6)、复合试件夹具(7)、L形光管(18)、镀膜镜片(22)、以及设置在复合试件下方的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件；所述复合试件包括在上的金属试件(231)和在下的石英玻璃试件(232)，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与石英玻璃试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和石英玻璃试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述复合试件夹具(7)包括用于与CNC工作台(6)连接的支架(76)和用于夹持和支撑固定复合试件的复合试件支夹部件；所述L形光管(18)包括呈L形固定连接设置的两根金属圆管以及在其外折角处因斜面切割而形成的镂空孔，所述两根金属圆管分别为竖直的入射管和水平的反射管；所述镀膜镜片(22)设置在所述L形光管(18)的镂空孔位置，且所述镀膜镜片(22)将入射光分为一束透射光和一束反射光，所述透射光用于为所述图像拍摄部件或光谱信号检测部件提供光源，所述反射光用于为图像拍摄部件和光谱信号检测部件中的另一个提供光源，所述镀膜镜片分出的透射光和反射光用于使得图像拍摄部件在观测深熔焊接小孔形貌的同时所述光谱信号检测部件能实时检测深熔焊接小孔内的等离子体；所述图像拍摄部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、滤光片和摄像机；所述光谱信号检测部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、光纤固定板和光谱仪；所述计算机(5)与图像拍摄部件中的摄像机以及与光谱信号检测部件中的光谱仪连接，所述计算机(5)还能用于与所述CNC工作台(6)连接；
所述深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步直接观测装置还包括设置在与复合试件顶部同等高度处的且用于观测小孔外等离子体情况的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件。


2.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，所述L形光管(18)中的切割斜面呈45°，使得所述镀膜镜片(22)与L形光管(18)的两根金属圆管之间均呈45°。


3.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，在位于复合试件下方的图像拍摄部件和光谱信号检测部件中，所述图像拍摄部件的凸透镜和滤光片均设置在L形光管(18)的入射管的正下方或设置在L形光管(18)的反射管的出口处，所述光谱信号检测部件的凸透镜和光纤固定板同样均设置在L形光管(18)的入射管的正下方或设置在L形光管(18)的反射管的出口处。


4.根据权利要求3所述的观测装置，其特征在于，所述观测装置包括设置在L形光管(18)的反射管的出口处的凸透镜一(20)、滤光片一(19)和摄像机一(12)，所述观测装置还包括设置在L形光管(18)的入射管的正下方的凸透镜二(21)、光纤固定板二(13)和光谱仪二(...

【专利技术属性】
技术研发人员：金湘中，郝中甲，陈挥扬，于晓飞，刘祖国，张隽漪，李俊豪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43