激光焊小孔等離子體電特性檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光加工技術，更加具體的說，具體涉及一種檢測激光焊接過程中包 含小孔內(nèi)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(fā)明所述小孔等離 子體的含義是指在深熔焊條件下小孔內(nèi)等離子及由小孔內(nèi)噴發(fā)出的等離子體。
【背景技術】
[0002] 在激光焊接過程中，高能激光束與工件及保護氣體相互作用，產(chǎn)生等離子體，亦稱 激光等離子體。激光焊可以分為熱導焊和深熔焊兩種模式，具體的說，激光深熔焊過程中產(chǎn) 生的等離子體包含小孔內(nèi)的等離子體和工件上方的等離子體羽，可以統(tǒng)稱之為等離子體。 焊接過程中產(chǎn)生的等離子體對焊接過程的穩(wěn)定與否和焊接質(zhì)量差異有著重要的影響。所以 對激光等離子體的研究有重要的實際意義。
[0003] 從辯證的角度來講，激光等離子體是我們探測激光焊接過程的橋梁。一方面，激 光等離子體中包含了關于焊接過程的重要信息，例如光、電及聲信號，國內(nèi)外有較多的研 究，通過對等離子中信息的研究可以獲取關于焊接過程的基本信息；另一方面，等離子體 對工件的焊接質(zhì)量有重要的影響，具體表現(xiàn)在工件上方的等離子體羽對激光束的散射及吸 收作用，使得激光到達工件表面的能量密度減少，進而影響焊接質(zhì)量。由于本發(fā)明只是涉 及激光等離子體電信號的檢測，故在此只說明關于激光等離子體電信號探測的現(xiàn)有技術。 在一般穩(wěn)態(tài)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， 但是并不適用于激光焊接過程中產(chǎn)生的具有一定波動性的等離子電特性的檢測。另外，關 于無源電探針檢測激光等離子體電特性的現(xiàn)有技術有，激光等離子體的無源電檢測裝置及 方法（專利號201310513676. 6)及檢測激光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，在激光深熔焊模式下，小孔內(nèi)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(tài)下，小孔維持張開，焊接 過程穩(wěn)定。所以，要對激光焊接質(zhì)量進行監(jiān)控，有必要對小孔內(nèi)的等離子體特性進行檢測。 但是，現(xiàn)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，并沒有一種檢測激光深熔焊模式下的小孔內(nèi)等離子體特性 的裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術在檢測激光深熔焊模式下小孔內(nèi)等離子電特性 的局限性，提出一種包含小孔內(nèi)等離子體及小孔中噴發(fā)出的等離子體的電源模型，并在此 基礎之上發(fā)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(xiàn)了對激光深 熔焊模式下小孔等離子體電特性的檢測。
[0005] 本發(fā)明的技術目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)：
[0006] 激光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(shù)據(jù)采集卡和計算機，其中：
[0007] 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(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集 卡與計算機相連，激光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(jīng)電信號檢測裝置和工件的連接導線引出，流經(jīng)外接負載電阻（即變阻器），由放大電路 和數(shù)據(jù)采集卡采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；
[0008] 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，在擋片的中央設置激光作用口，在激光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，以為激光作用提供通道；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(nèi)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；探測機構整體位于殼體內(nèi)，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，并在電信號檢測裝置的下表面上設置耐熱絕緣層。
[0009] 在上述技術方案中，探測機構的中央為通孔結構，與擋片中央的激光作用口配合 為激光作用提供通道，激光源通過探頭機構的通過和激光作用口，作用在工件進行激光焊 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，均為小于等于l〇mm優(yōu)選在6 - 10mm，以避免等離子體對激光束的透鏡效應，錐形孔的 最小直徑為3-5mm，以使得激光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。
[0010] 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。
[0011] 在上述技術方案中，耐熱絕緣層的厚度在〇. 5mm之內(nèi)，材料選用耐熱（針對激光焊 接的溫度，能夠承受且不發(fā)生熔化形變等）的絕緣材料即可，選用涂覆、粘附均可；使用耐 熱絕緣層的目的在于切斷工件上方等離子體羽與焊接工件組成的電流回路，使得等離子體 中的電流信號流入探測機構，這相當于改變了等離子體中的電流回路，實現(xiàn)了利用電信號 探測裝置檢測激光焊接過程中小孔等離子體的電特性這一目的。
[0012] 在上述技術方案中，在待焊接工件上設置有夾具，用于夾持和固定電信號檢測裝 置。
[0013] 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(yōu)選銅，即將整個電信號檢測裝置整體采 用金屬材料進行制備，以便于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。
[0014] 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 嘴進入空腔后，流經(jīng)最長的距離（即下蓋的直徑）后，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。
[0015] 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，用于 激光焊接保護的惰性氣體從進氣嘴經(jīng)連接管道，進入出氣嘴，再經(jīng)過氣體流出口流出，實現(xiàn) 對激光焊接的氣體保護，以實現(xiàn)氣體和冷卻水的分離存在，同時冷卻水實現(xiàn)對連接管道的 冷卻。
[0016] 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?qū)す馀c工作作用區(qū)域及其周圍進行保護 (保護焊縫，防止其氧化）。
[0017] 在上述技術方案中，所述連接管道選用導氣軟管即可。
[0018] 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。
[0019] 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范圍內(nèi)，以保證冷卻效果。
[0020] 在上述技術方案中，探測機構的擋片與下蓋螺紋連接并固定。
[0021] 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。
[0022] 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制備的密封圈。
[0023] 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：
[0024] 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(shù)據(jù)采集卡相連， 數(shù)據(jù)采集卡與計算機相連，變阻器兩端的電壓經(jīng)放大電路后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進入計算機；電 信號檢測裝置置于工件表面，將激光源對準電信號檢測裝置中探測機構的通孔和激光作用 口，以使激光束能夠穿過通過和激光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(nèi)；
[0025] 步驟2,打開激光源進行激光焊接，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；
[0026] 步驟3,數(shù)據(jù)采集卡將模擬電壓信號轉換為數(shù)字電信號，數(shù)字電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集線 進入計算機并顯示并存儲。
[0027] 在上述技術方案中，由于電信號檢測裝置可以全部包圍著等離子體，所以采集到 的電信號穩(wěn)定，采集的范圍也最大。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，最終會得到關于小孔等離子體伏安特性曲 線。
[0028] 將激光等離子體（包括小孔內(nèi)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(nèi)部，由于在小孔內(nèi)部縱向存在壓力梯度匕及溫度梯度1\