雷射焊小孔等離子體電特性檢測方法與流程

2023-06-02 01:28:31 1

本發明申請是母案申請「雷射焊小孔等離子體電特性檢測裝置及方法」的分案申請，母案申請的申請號為2015106642389，申請日為2015年10月14日。本發明屬於雷射加工技術，更加具體的說，具體涉及一種檢測雷射焊接過程中包含小孔內等離子及工件上方等離子體羽的電特性的檢測裝置及方法，本發明所述小孔等離子體的含義是指在深熔焊條件下小孔內等離子及由小孔內噴發出的等離子體。
背景技術：
：在雷射焊接過程中，高能雷射束與工件及保護氣體相互作用，產生等離子體，亦稱雷射等離子體。雷射焊可以分為熱導焊和深熔焊兩種模式，具體的說，雷射深熔焊過程中產生的等離子體包含小孔內的等離子體和工件上方的等離子體羽，可以統稱之為等離子體。焊接過程中產生的等離子體對焊接過程的穩定與否和焊接質量差異有著重要的影響。所以對雷射等離子體的研究有重要的實際意義。從辯證的角度來講，雷射等離子體是我們探測雷射焊接過程的橋梁。一方面，雷射等離子體中包含了關於焊接過程的重要信息，例如光、電及聲信號，國內外有較多的研究,通過對等離子中信息的研究可以獲取關於焊接過程的基本信息；另一方面，等離子體對工件的焊接質量有重要的影響，具體表現在工件上方的等離子體羽對雷射束的散射及吸收作用，使得雷射到達工件表面的能量密度減少，進而影響焊接質量。由於本發明只是涉及雷射等離子體電信號的檢測，故在此只說明關於雷射等離子體電信號探測的現有技術。在一般穩態等離子體的電信號檢測方面，以langmuir探針最為廣泛，這是一種有源探針，但是並不適用於雷射焊接過程中產生的具有一定波動性的等離子電特性的檢測。另外，關於無源電探針檢測雷射等離子體電特性的現有技術有，雷射等離子體的無源電檢測裝置及方法(專利號201310513676.6)及檢測雷射等離子體的光電探針及其使用方法(專利號201110360537.5)已獲得相關專利授權。值得注意的是，在雷射深熔焊模式下，小孔內充滿了等離子體，在蒸汽壓力，熔池靜壓力及表面張力相互平衡的狀態下，小孔維持張開，焊接過程穩定。所以，要對雷射焊接質量進行監控，有必要對小孔內的等離子體特性進行檢測。但是，現今無論是利用光電探針還是langmuir探針或是無源電探針檢測等離子的方法只局限在工件上方的等離子體羽，並沒有一種檢測雷射深熔焊模式下的小孔內等離子體特性的裝置及方法。技術實現要素：本發明的目的在於克服現有技術在檢測雷射深熔焊模式下小孔內等離子電特性的局限性，提出一種包含小孔內等離子體及小孔中噴發出的等離子體的電源模型，並在此基礎之上發明了一種可以對小孔等離子體電特性進行檢測的裝置及方法，實現了對雷射深熔焊模式下小孔等離子體電特性的檢測。本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：雷射焊小孔等離子體電特性檢測裝置，包括電信號檢測裝置、第一連接導線、第二連接導線、變阻器、放大電路、數據採集卡和計算機，其中：電信號檢測裝置通過第二連接導線與變阻器相連；第一連接導線的一端與變阻器相連，另一端與工件相連；變阻器與放大電路相連，放大電路與數據採集卡相連，數據採集卡與計算機相連，雷射束與工件及保護氣體相互作用，形成等離子體，等離子體中的電流信號經電信號檢測裝置和工件的連接導線引出，流經外接負載電阻(即變阻器)，由放大電路和數據採集卡採集負載電阻兩端的電壓信號，通過電壓和電阻即可得出等離子中的電流信號，最終電壓信號和電流信號進入計算機進行存儲；電信號檢測裝置包括探測機構、下蓋和上蓋；探測機構整體為圓筒狀，上端開口，下端設置擋片，在擋片的中央設置雷射作用口，在雷射作用口的一側設置氣體流出口，探測機構的中央為通孔結構，以為雷射作用提供通道；上蓋和下蓋的中央位置均設置有通孔，上蓋和下蓋連接為一個整體為圓柱狀的殼體，在殼體內部形成空腔，在下蓋上設置與空腔相連的進水嘴、出水嘴和進氣嘴；出氣嘴設置在探測機構的擋片上，其一端通過連接管道與進氣嘴相連，另一端與氣體流出口相連；探測機構整體位於殼體內，探測機構的上端固定設置在上蓋的通孔中，探測機構的擋片固定設置在下蓋的通孔中且與下蓋的下表面平齊，共同組成電信號檢測裝置的下表面，並在電信號檢測裝置的下表面上設置耐熱絕緣層。在上述技術方案中，探測機構的中央為通孔結構，與擋片中央的雷射作用口配合為雷射作用提供通道，雷射源通過探頭機構的通過和雷射作用口，作用在工件進行雷射焊接；通孔結構由上端的圓形通孔和下端的錐形孔組成，錐形孔的最大直徑與圓形通孔直徑一致，均為小於等於10mm優選在6—10mm，以避免等離子體對雷射束的透鏡效應，錐形孔的最小直徑為3—5mm，以使得雷射等離子體與探測機構的通孔結構的下端錐形孔的表面良好接觸。在上述技術方案中，探測機構的擋片的上端的圓筒狀結構的壁厚在2—3mm。在上述技術方案中，耐熱絕緣層的厚度在0.5mm之內，材料選用耐熱(針對雷射焊接的溫度，能夠承受且不發生熔化形變等)的絕緣材料即可，選用塗覆、粘附均可；使用耐熱絕緣層的目的在於切斷工件上方等離子體羽與焊接工件組成的電流迴路，使得等離子體中的電流信號流入探測機構，這相當於改變了等離子體中的電流迴路，實現了利用電信號探測裝置檢測雷射焊接過程中小孔等離子體的電特性這一目的。在上述技術方案中，在待焊接工件上設置有夾具，用於夾持和固定電信號檢測裝置。在上述技術方案中，為方便進行電信號的傳導，電信號檢測裝置中的探測機構、下蓋、上蓋、進水嘴、出水嘴、進氣嘴選用金屬材料，優選銅，即將整個電信號檢測裝置整體採用金屬材料進行製備，以便於在電信號檢測裝置的任何部位均可與第二連接導線相連，向外導出電信號。在上述技術方案中，進水嘴和出水嘴設置在下蓋直徑的兩端，以便冷卻水由進水嘴進入空腔後，流經最長的距離(即下蓋的直徑)後，再從出水嘴流出，更好地為整個電信號檢測裝置提供冷卻處理。在上述技術方案中，進氣嘴設置在連接進水嘴和出水嘴的圓弧的中央位置，用於雷射焊接保護的惰性氣體從進氣嘴經連接管道，進入出氣嘴，再經過氣體流出口流出，實現對雷射焊接的氣體保護，以實現氣體和冷卻水的分離存在，同時冷卻水實現對連接管道的冷卻。在上述技術方案中，所述氣體流出口設置在擋片上且貫穿整個擋片，以形成導氣通道，導氣通道的中軸線與整個電信號檢測裝置的下表面(即水平方向)的夾角為30—50°，以使惰性氣體(氮氣、氦氣或者氬氣)能夠對雷射與工作作用區域及其周圍進行保護(保護焊縫，防止其氧化)。在上述技術方案中，所述連接管道選用導氣軟管即可。在上述技術方案中，出氣嘴通過螺紋連接設置在探測機構的擋片上。在上述技術方案中，上蓋與下蓋外表面直徑在60—100mm之間，壁厚3—5mm，腔體高度30—60mm範圍內，以保證冷卻效果。在上述技術方案中，探測機構的擋片與下蓋螺紋連接並固定。在上述技術方案中，探測機構的上端通過墊板和連接螺栓固定設置在上蓋的通孔中，且連接螺栓向下延伸與下蓋連接，以使探測機構、上蓋和下蓋成為一個整體。在上述技術方案中，探測機構和上蓋、上蓋和下蓋、探頭機構和下蓋的連接處設置密封圈，選用耐熱密封材料進行製備的密封圈。利用上述裝置檢測小孔等離子電特性的方法，按照下述步驟進行：步驟1，電信號檢測裝置通過第二連接導線與變阻器相連；第一連接導線的一端與變阻器相連，另一端與工件相連；變阻器與放大電路相連，放大電路與數據採集卡相連，數據採集卡與計算機相連，變阻器兩端的電壓經放大電路後經數據採集卡進入計算機；電信號檢測裝置置於工件表面，將雷射源對準電信號檢測裝置中探測機構的通孔和雷射作用口，以使雷射束能夠穿過通過和雷射作用口到達工件表面，電信號檢測裝置的耐熱絕緣層的下表面與工件的焊縫上表面的高度在2mm以內；步驟2，打開雷射源進行雷射焊接，同時利用進氣嘴、連接管道、出氣嘴和氣體流出口輸入惰性保護氣體，利用進水嘴和出水嘴進行水冷；步驟3，數據採集卡將模擬電壓信號轉換為數字電信號，數字電信號經數據採集線進入計算機並顯示並存儲。在上述技術方案中，由於電信號檢測裝置可以全部包圍著等離子體，所以採集到的電信號穩定，採集的範圍也最大。改變外接變阻器阻值(即變阻器的電阻值)，使其從小到大變化，每改變一次電阻值，測量一次電信號，最終會得到關於小孔等離子體伏安特性曲線。將雷射等離子體(包括小孔內的等離子體和工件上方的等離子羽)視為一個電源，如圖7所示，在等離子體內部，由於在小孔內部縱向存在壓力梯度pe及溫度梯度te，由公式(1)可知在小孔的內部會出現電位差。在等離子內部，由於將之看成是一個電源，在小孔內部溫度梯度的方向與電位梯度的方向一致，所以電子流由(ne,te)2(b處)流向(ne,te)0(o處)，標記為je,h。在工件上方的等離子羽看為是電源模型的一部分，由於在等離子體中心(ne,te)0(o處)處的溫度及壓力高於外部，所以由溫度梯度與壓力梯度和電位梯度之間的關係可知，在等離子羽中，電子流由中心處(ne,te)0(o處)以輻射狀向邊界處(ne,te)1(a處)流動，標記為je,pl。綜上所述小孔內的電子流從b處流向o處，再從o處流向a處，這是等離子內部的電子流動方向。由於等離子與焊接工件相接觸，故等離子中的電子流會流向焊接工件，為了測量小孔等離子體中的電子流，利用本發明的電信號檢測裝置進行檢測，由於在電信號檢測裝置下表面塗敷了一層耐熱絕緣層，所以當雷射等離子體從小孔內噴出，通過雷射作用口進入探測機構的通孔後，等離子體中的電子流不會進入焊接工件，而是流入探測機構與外接變阻器組成的檢測電路，具體檢測電路原理圖如圖8所示(通孔採用上端的圓形通孔和下端的錐形孔，由下端錐形孔的表面與雷射等離子體接觸)，這樣可以實現雷射焊接過程中小孔等離子體電特性的檢測。考慮到等離子體中鞘層效應的影響，探測機構上的電位為公式(2)所示。公式(1)，(2)中▽φplasma為等離子體中的電位梯度，ne為電子密度，te為電子溫度，e為電子電量，mi為離子質量，φprobe為探測機構上的電位(即電信號檢測裝置上的電位)；▽te為電子溫度梯度，▽ne為電子密度梯度，k為普朗克常數。與現有技術相比，本發明的檢測方法與檢測裝置和現有檢測雷射等離子體方法最大的不同是在於，本發明所提出的檢測裝置和檢測方法可以檢測雷射焊過程中小孔內等離子體電特性，這是現有的技術所不能做到的。另外，這種對於雷射等離子體的檢測方法，穩定性更強，檢測範圍更大，檢測時間更長，對於雷射焊過程中小孔的形成和演變，雷射焊接質量的在線檢測有重要的實際意義。附圖說明圖1是本發明的雷射焊接過程中小孔等離子體電特性檢測裝置的總體布置示意圖，其中13-焊接工件，14-焊縫，15-電信號探測裝置，16-第一連接導線，用於連接焊接工件，17-變阻器，18-放大電路，19-數據採集卡，20-計算機，21-第二連接導線，用於連接電信號探測裝置，22-雷射束，23-夾具。圖2是本發明的電信號探測裝置的三維外觀示意圖，其中1-探測機構，3—下蓋，4-進水嘴，5-上蓋，6-墊板，7-連接螺栓，9-進氣嘴，10-出水嘴。圖3是本發明的電信號探測裝置的俯視圖，其中1-探測機構，4-進水嘴，5-上蓋，6-墊板，7-連接螺栓，9-進氣嘴，10-出水嘴。圖4是對應圖3中b-b方向的剖視圖，其中1-探測機構，2-出氣嘴，3-下蓋，4-進水嘴，5-上蓋，6-墊板，7-連接螺栓，8-密封圈，10-出水嘴，12-耐熱絕緣層。圖5是本發明的電信號探測裝置的拆解視圖，其中1-探測機構，1-1為雷射作用口，1-2為氣體流出口，2-出氣嘴，3-下蓋，4-進水嘴，5-上蓋，6-墊板，7-連接螺栓，8-密封圈，9-進氣嘴，10-出水嘴，11-軟管。圖6是本發明的電信號探測裝置與焊接工件的位置關係示意圖，其中13-焊接工件，14-焊縫，15-電信號探測裝置，22-雷射束，23-夾具，h為探測機構絕緣層下表面與焊接工件之間的距離。圖7是小孔等離子體電源模型原理圖，其中13-焊接工件，22-雷射束，24-焊接熔池，25-小孔，26-等離子體羽，b點位於小孔之中，o點位於等離子體羽中，a點位於焊接熔池中，等離子體羽的張開半徑標記為r。圖8是利用本發明提出的電信號探測裝置檢測雷射焊過程中小孔等離子體電特性的電路原理示意圖，其中12-耐熱絕緣層，13-焊接工件，15-電信號探測裝置，17-變阻器，22-雷射束，24-焊接熔池，25-小孔，26-等離子體羽。圖9是雷射深熔焊模式下，採集到的小孔等離子體的電信號，電信號為外接變阻器電阻值為2000ω下所得。圖10是雷射深熔焊模式下得到的焊縫表面形貌圖。圖11是雷射深熔焊模式下得到的焊縫橫截面形貌圖。圖12是雷射熱導焊模式下，採集到的小孔等離子體的電信號，電信號為外接變阻器電阻值為2000ω下所得。圖13是雷射熱導焊模式下得到的焊縫表面形貌圖。圖14是雷射熱導焊模式下得到的焊縫橫截面形貌圖。圖15是雷射深熔焊模式下採集到的小孔等離子體的電信號階段劃分示意圖。圖16是雷射焊接過程中電壓幅值與外接變阻器電阻值之間的關係曲線圖，其中曲線1為焊接初始階段——小孔形成初始階段(即i階段)電壓幅值與變阻器電阻值的關係曲線圖，曲線2為焊接穩定階段——小孔穩定階段(即iii階段)電壓幅值與變阻器電阻值的關係曲線圖。圖17是雷射焊接初始階段，即小孔形成初始階段小孔等離子體的伏安關係曲線圖。圖18是雷射焊接穩定階段，即小孔穩定階段小孔等離子體的伏安關係曲線圖。具體實施方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。如附圖1—5所示，本發明的雷射焊小孔等離子體電特性檢測裝置，包括電信號檢測裝置、第一連接導線、第二連接導線、變阻器、放大電路、數據採集卡和計算機，其中：電信號檢測裝置通過第二連接導線與變阻器相連；第一連接導線的一端與變阻器相連，另一端與工件相連；變阻器與放大電路相連，放大電路與數據採集卡相連，數據採集卡與計算機相連；整個電信號檢測裝置整體採用金屬銅進行製備，電信號檢測裝置包括探測機構、下蓋和上蓋；探測機構整體為圓筒狀，上端開口，下端設置擋片，在擋片的中央設置雷射作用口，在雷射作用口的一側設置氣體流出口，探測機構的中央為通孔結構，以為雷射作用提供通道；上蓋和下蓋的中央位置均設置有通孔，上蓋和下蓋連接為一個整體為圓柱狀的殼體，在殼體內部形成空腔，在下蓋上設置與空腔相連的進水嘴、出水嘴和進氣嘴；出氣嘴設置在探測機構的擋片上，其一端通過連接管道與進氣嘴相連，另一端與氣體流出口相連，氣體流出口設置在擋片上且貫穿整個擋片，以形成導氣通道，導氣通道的中軸線與整個電信號檢測裝置的下表面的夾角為30°；探測機構整體位於殼體內，探測機構的上端固定設置在上蓋的通孔中，探測機構的擋片固定設置在下蓋的通孔中且與下蓋的下表面平齊，共同組成電信號檢測裝置的下表面，並在電信號檢測裝置的下表面上設置耐熱絕緣層0.5mm。探測機構的中央為通孔結構，與擋片中央的雷射作用口配合為雷射作用提供通道，雷射源通過探頭機構的通過和雷射作用口，作用在工件進行雷射焊接；通孔結構由上端的圓形通孔和下端的錐形孔組成，錐形孔的最大直徑與圓形通孔直徑一致，均為10mm，錐形孔的最小直徑為5mm。探測機構的擋片的上端的圓筒狀結構的壁厚在2mm。進水嘴和出水嘴設置在下蓋直徑的兩端，進氣嘴設置在連接進水嘴和出水嘴的圓弧的中央位置，上蓋與下蓋外表面直徑為100mm，壁厚3mm，腔體高度為60mm；出氣嘴通過螺紋連接設置在探測機構的擋片上；探測機構的擋片與下蓋螺紋連接並固定；探測機構的上端通過墊板和連接螺栓固定設置在上蓋的通孔中，且連接螺栓向下延伸與下蓋連接，以使探測機構、上蓋和下蓋成為一個整體；探測機構和上蓋、上蓋和下蓋、探頭機構和下蓋的連接處設置密封圈，選用耐熱密封材料進行製備的密封圈。如圖6所示，電信號檢測裝置的耐熱絕緣層的下表面與工件的焊縫上表面的高度在2mm，在待焊接工件上設置有夾具，用於夾持和固定電信號檢測裝置。電信號檢測裝置通過第二連接導線與變阻器相連；第一連接導線的一端與變阻器相連，另一端與工件相連；變阻器與放大電路相連，放大電路與數據採集卡相連，數據採集卡與計算機相連，變阻器兩端的電壓經放大電路後經數據採集卡進入計算機；電信號檢測裝置置於工件表面，將雷射源對準電信號檢測裝置中探測機構的通孔和雷射作用口，打開雷射源進行雷射焊接，同時利用進氣嘴、連接管道、出氣嘴和氣體流出口輸入惰性保護氣體，利用進水嘴和出水嘴進行水冷，使得整個電信號檢測裝置維持在一個相對低的溫度範圍之內，避免雷射焊接產生熱量對設備的影響。本發明實施例的設備採用nd:yag雷射器，雷射波長1.06μm，聚焦透鏡焦距300mm，焊接過程採用雷射表面自熔方法，板厚3mm，實驗所用保護氣為ar氣，氣流量25l/min，離焦量-1mm，材料選用雷射焊等離子噴發比較強烈的a304不鏽鋼，所選焊接參數如表1所示。表1雷射功率焊接速度離焦量保護氣流量1200w4mm/s-125l/min雷射焊接過程電信號被採集後，經調理電路放大和濾波，利用採集卡進行a/d轉換並存儲，並傳輸到計算機。圖9-11為雷射深熔焊模式下的電信號、焊縫表面形貌與焊縫橫截面形貌圖(電信號均為外接負載電阻為2000ω下所得)，在穩定的深熔焊模式下，電信號初期會出現一個較大的峰值，經過過渡階段後，電信號維持穩定。焊縫表面光潔平滑，工件被焊透。這是由於在焊接過程中，小孔形成後，維持在張開的狀態，雷射能量能夠充分的進入小孔。圖12-14為雷射熱導焊模式下的電信號、焊縫表面形貌與焊縫橫截面形貌圖(電信號均為外接負載電阻為2000ω下所得)，熱導焊模式下的電信號在時域範圍內，並沒有初始峰值，而且與深熔焊模式下的電信號有截然相反的變化趨勢。隨著焊接過程的進行，電信號幅值的絕對值先增加後維持穩定，且電信號幅值的絕對值在時域範圍內均小於深熔焊模式下電信號的初始峰值。與深熔焊模式相比，熱導焊模式下的焊縫深寬比嚴重減小。要檢測雷射焊接中的小孔等離子體的電特性，所以本發明選取深熔焊模式下的電信號，對其進行分析後發現，由電信號探測裝置探測到的雷射深熔焊模式下的電信號可以很好的說明雷射深熔焊的過程。如圖15所示，為深熔焊模式下電信號階段劃分示意圖。根據以往的研究結果可以對之劃分為三個階段(圖15中所應用的電信號為變阻器電阻值為2000ω時得到的電信號，截取0.6s的時間範圍)。i：焊接初始階段(深熔焊模式下，小孔形成的初始階段)，時間範圍在1-10ms內；ii：焊接過渡階段(深熔焊模式下，小孔從形成到穩定的階段)，時間範圍在0.5s內；iii：焊接穩定階段(深熔焊模式下，小孔穩定的階段)。針對已經劃分的三個階段，著重分析焊接初始階段(i階段)和穩定階段(iii階段)。利用上文提出的小孔等離子體電特性檢測方法進行實驗，外接變阻器電阻值在0-25kω間變化，描繪出小孔形成初始階段(i階段)和小孔穩定階段(iii階段)的電壓幅值與電阻值之間的關係曲線。如圖16所示，可以發現i與iii過程中，電壓幅值的絕對值隨著變阻器的電阻值的增大而增大，當在20kω後變化不大，基本達到飽和。焊接初始階段的電信號幅值的絕對值要高於穩定階段的電信號幅值之絕對值。確定了電壓值與電阻值之間的關係曲線，進而可以描繪出關於小孔初始階段(i階段)和穩定階段(iii階段)的伏安特性曲線。圖17為焊接初始階即小孔形成初始階段(i階段)等離體的伏安特性曲線圖，可以看出，在焊接初始階段(i階段)，伏安曲線為一條直線，即在雷射功率為1200w(cw)條件下，作為電源的小孔等離子體的內阻為一定值(約2370歐姆)。而在焊接穩定階段(iii階段)等離子的伏安曲線(如圖18)為一條曲線，此時小孔等離子體的內阻並不是一個定值。綜上所述：本發明提出了一種新的包含小孔內等離子及工件上方等離子體羽的電源模型，並在此基礎上提出了一種檢測小孔等離子體電特性的檢測裝置及檢測方法，可以實現對雷射焊過程中小孔等離子體的電特性的檢測，即本發明的雷射焊小孔等離子體電特性檢測裝置、電信號檢測裝置及方法在檢測雷射焊接過程中小孔等離子體電特性中的應用，在固定外接電阻阻值的情況下採集雷射深熔焊模式下的電信號，在固定外接電阻阻值的情況下採集雷射熱導焊模式下的電信號，在改變外接電阻阻值的情況下針對雷射深熔焊模式下的電壓值與電阻值的關係曲線和伏安特性曲線。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護範圍。當前第1頁12