金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的方法技术

本发明专利技术提供一种金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的方法，包括使用一种复合试件，复合试件包括在上的金属试件和在下的GG17试件，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°；所述方法包括，步骤A、使得复合试件的顶面处于水平面内，且在所述复合试件的上方设置焊接头，且焊接头的激光或电子束的入射方向为竖直向下；并设置包括光纤和光谱仪的光谱信号检测部件；步骤B、启动焊接头对复合试件进行深熔焊接，焊接方向为水平面内与交线L垂直的方向。本发明专利技术提供的方法可对小孔内等离子体全方位直接观测，不存在观测死角，为等离子体反韧致辐射吸收的研究提供准确的孔内等离子体参数。

A Method for Direct Observation of Plasma in Holes of Deep Penetration Welding of Metal Material

【技术实现步骤摘要】
金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的方法
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内等离子体全方位直接观测的方法。
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(见图1)，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，申请人对图1的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，见图2)，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(见图3)，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，采用图1至图3的实验装置，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。综上可以发现：现有的小孔观测方法均只能实现从工件顶面、底面或侧面观测激光深熔焊接时的小孔形状，即只能获取工件顶面、底面或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面，也是金属与GG17的结合面)的小孔轮廓形状，而无法获取真实的三维小孔形状。(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，见图4。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(见图5)，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(见图9(a))，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的特征辐射谱线(见图9(b))，因此使用光谱仪透过GG17玻璃观测、分析激光深熔焊接铝合金时的金属等离子体辐射光谱也是完全可行的。该方法是在图3所示小孔观测装置的基础上，用多通道光谱仪取代高速相机，透过GG17透明玻璃材料从侧面直接检测激光深熔焊接铝合金时的孔内等离子体辐射光谱。但是，该方法只能观测对称平面(即铝合金试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的方法，所述方法中包括使用一种复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件(4)和在下的GG17试件(5)，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(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述方法包括如下步骤，步骤A、将所述复合试件固定设置使得复合试件的顶面处于水平面内，且在所述复合试件的上方设置焊接头，所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头，且激光或电子束的入射方向为竖直向下；并设置用于观测小孔内等离子体情况的光谱信号检测部件，且所述光谱信号检测部件包括光纤(14)和光谱仪(15)；步骤B、定义所述结合面或结合面的延伸面与复合试件顶面的交线为L，启动焊接头对复合试件进行深熔焊接，焊接方向(10)即焊接头在焊接过程中的平移方向为水平面内与交线L垂直的方向。

【技术特征摘要】
1.金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的方法，所述方法中包括使用一种复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件(4)和在下的GG17试件(5)，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(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述方法包括如下步骤，步骤A、将所述复合试件固定设置使得复合试件的顶面处于水平面内，且在所述复合试件的上方设置焊接头，所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头，且激光或电子束的入射方向为竖直向下；并设置用于观测小孔内等离子体情况的光谱信号检测部件，且所述光谱信号检测部件包括光纤(14)和光谱仪(15)；步骤B、定义所述结合面或结合面的延伸面与复合试件顶面的交线为L，启动焊接头对复合试件进行深熔焊接，焊接方向(10)即焊接头在焊接过程中的平移方向为水平面内与交线L垂直的方向。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光谱信号检测部件还包括反射镜(8)和光纤固定板(13)；且所述光谱信号检测部件整体设置在可平移的位移工作台上，所述位移工作台随着焊接方向和焊接速度同步移动，以便及时捕捉到小孔内的等离子体的光谱信号。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述焊接头为激光焊接头，且包括激光束(1)、压缩空气入口(2)、激光焊接喷嘴(3)和GaAs聚焦透镜(12)；还包括在所述复合试件的上方使用氩气喷嘴(11)对小孔处喷保护氩气以防金...

【专利技术属性】
技术研发人员：金湘中，蒋志伟，周昕宇，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43