本发明专利技术公开了一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，属于一种激光焊接过程中焊接小孔内压力检测方法。该方法利用推导出的等离子体压力Ｐ与等离子体电子温度Ｔｅ和等离子体电子密度ｎｅ的关系式，通过采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号计算出等离子体电子温度Ｔｅ和等离子体电子密度ｎｅ，并由Ｔｅ、ｎｅ计算出等离子体压力Ｐ。本发明专利技术利用透镜成像放大原理，将激光深熔焊接小孔放大，实现了焊接小孔内不同点的等离子体压力Ｐ的实时同步检测。主要适用于激光深熔焊接过程中焊接小孔内压力的获取；焊接小孔内压力在小孔深度和小孔径向的分布特性获取；随焊接过程的进行焊接小孔内压力随时间变化的特性获取。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种激光焊接过程中焊接小孔内压力的检查方法，具体为一种模拟激 光深熔焊接过程中焊接小孔内压力及其特性的检测方法。
技术介绍
激光深熔焊接过程中，材料剧烈气化产生的压力将熔融材料抛出，形成焊接小孔， 进入小孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎被完全吸收。在激光深熔焊接过程中焊接 小孔的稳定形成对激光焊接过程的稳定进行和激光能量吸收非常重要，同时小孔的深度决 定了焊接过程的熔透深度。激光深熔焊接时焊接小孔的动态稳定是由小孔内各种力的动态 平衡决定，各种力包括表面张力、蒸汽压力、烧蚀压力、静压力、等离子体压力等。在激光深 熔焊接中，只有当小孔内的各种压力达到动态平衡，才能形成动态稳定的焊接小孔进而得 到动态稳定的焊接过程；焊接小孔内任何某种力的扰动都会破坏小孔的动态稳定使得焊接 过程波动降低焊接质量。由此可知对激光深熔焊接小孔内压力的研究对保持稳定的焊接过 程至关重要。国内外对激光焊接小孔内压力的研究较少。其中，TKlein等人从理论分析了 激光深熔焊接小孔波动的数学模型，分析了在忽略等离子体时焊接小孔的压力平衡由表面 张力、烧蚀压力、蒸气压力组成，其中烧蚀压力、蒸气压力与温度(此处温度对应于能量)相 关，任一压力和能量的扰动都会引起小孔的不稳定。Z SzymaAski等人引用τ Klein的小 孔压力平衡理论并在其的基础上增加了熔池液体的静压力和辅助气体压力，分析了小孔压 力平衡理论。同时，文中采用麦克风采集焊接过程中由小孔内压力变化产生压力波进而形 成的声波信号，研究了焊接过程中与小孔压力波动对应的声信号波动特性。国内的刘京雷 等人试验采集了激光深熔焊接过程中的声信号，分析了信号与焊缝熔深的相关性。但是现有的文献中仍然没有直接检测焊接小孔内的实际压力大小，而只是对与压 力特性相关的声信号特性进行研究。另外对焊接过程中的压力检测，亦没有文献报道精确 定位检测焊接小孔内外的压力信号分布。因此，本专利技术提出通过检测深熔焊接小孔内的等 离子体光信号间接计算得出小孔内等离子体压力，并设计了一种等离子体光信号检测装 置，以精确采集焊接小孔内不同位置的等离子体光信号，从而得到焊接小孔内的等离子体 压力分布。目前国内外对激光深熔焊接小孔内等离子体光信号的检测主要有以下方法公开 号为CN201096521的“非接触式等离子体温度和电子密度测量装置”专利中提供的通过光 纤测量单点温度的测量方法。公开号为CN101387559的“光致等离子体温度空间分布的探 测装置及探测方法”专利中采用多通道光纤近距离采集焊接小孔内等离子体光信号。中国 工程物理研究所研制的一个以光纤作为接受、传输光能的六通道光学温度计，用于研究冲 击加载下材料的辐射性能。国外报道了采用光学多通道分析仪(OMA)来测量等离子体温 度的方法，它主要由光栅分光得到一束单色光，每次只能得到一个波长下的谱线。同样有国 外文献报道了采用光电传感器从小孔上方不同倾斜角度采集等离子体光信号并通过相应 处理得到不同深度的等离子体光信号。但是以上各方法在信号采集定位精度上都有一定误3差c
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术旨在提供一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特 性的检测方法，该方法只需要采集激光深熔焊接过程中小孔内等离子体光信号计算出等离 子体的电子温度和密度，便可得出等离子体的压力的方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是模拟激光深熔焊接小孔内压力 及其特性的检测方法，其特点是(a)、检测装置的组成所述检测装置包括透镜、传导光纤、固定该传导光纤的光纤 固定装置、采集该传导光纤传导出的光信号的光谱采集系统；所述光谱采集系统包括与传 导光纤输出端相连的光谱分析仪，与该光谱分析仪输出端相连的电脑；待检测的金属片与至少一层GG17玻璃固定在一起，激光沿金属片的上表面扫描， 激光焊接金属片产生的等离子体辐射光从焊接小孔的一侧或两侧透过GG17玻璃透射出 来，由所述检测装置采集等离子体光信号；在焊接过程等离子体光信号实时检测过程中，所 述透镜、传导光纤固定端和激光束的相对位置保持不变；(b)、检测方法首先通过所述检测装置采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离 子体光信号，由光信号计算出等离子体电子温度Te和等离子体电子密度IV然后根据在局 部热力学平衡假设条件下和现有理论基础上推导出的等离子体压力P与等离子体电子温 度Te和等离子体电子密度~的关系表达式得出小孔内等离子体压力P ；权利要求1.一种，其特征是(a)、检测装置的组成所述检测装置包括透镜(7)、传导光纤(10)、固定该传导光纤(10)的光纤固定装置(8)、采集该传导光纤(10)传导出的光信号的光谱采集系统；所述 光谱采集系统包括与传导光纤(10)输出端相连的光谱分析仪(11)，以及与该光谱分析仪(11)输出端相连的电脑(12)；待焊接的金属片(5)与至少一层GG17玻璃(4)固定在一起，激光沿金属片(5)的上表 面扫描，激光焊接金属片( 产生的等离子体辐射光从焊接小孔的一侧或两侧透过GG17玻 璃(4)透射出来，由所述检测装置采集等离子体光信号；在焊接过程等离子体光信号实时 检测过程中，所述透镜(7)、传导光纤(10)固定端和激光束(1)的相对位置保持不变；(b)、检测方法首先通过所述检测装置采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体 光信号，由光信号计算出等离子体电子温度Te和等离子体电子密度~，然后由等离子体压 力P与等离子体电子温度Te和等离子体电子密度的关系式得出小孔内等离子体压力P ；P = \2ne + nl . ^..kTe^g1 hkTe其中，P为等离子体压力，单位为1 ;me为电子质量，其值为9. 110 X 10_31kg ；h为Planck 常数，其值为6. 626 X IO-34Js 为中性原子的电离能；k为Boltzmarm常数；Te为等离子体 电子温度W1是高能级统计权重是低能级统计权重为等离子体电子密度。2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是，所述透镜(7)为放大透镜，放大透镜用 于放大焊接小孔，对透镜要求在波长为250nm-600nm内的透光率高于80%。3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是，所述传导光纤(10)为多根光纤组合的 光纤束，传导光纤(10) —端为由光纤固定装置固定的分散端口，另一端为集成的多根光纤 按规律排列的组合端口，所述传导光纤(10)在波长为250nm-600nm内的透光率高于80%。全文摘要本专利技术公开了一种，属于一种激光焊接过程中焊接小孔内压力检测方法。该方法利用推导出的等离子体压力P与等离子体电子温度Te和等离子体电子密度ne的关系式，通过采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号计算出等离子体电子温度Te和等离子体电子密度ne，并由Te、ne计算出等离子体压力P。本专利技术利用透镜成像放大原理，将激光深熔焊接小孔放大，实现了焊接小孔内不同点的等离子体压力P的实时同步检测。主要适用于激光深熔焊接过程中焊接小孔内压力的获取；焊接小孔内压力在小孔深度和小孔径向的分布特性获取；随焊接过程的进行焊接小孔内压力随时间变化的特性获取。文档编号B23K26/42GK102072794SQ201010552020公开日2011年5月25日本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，其特征是：（ａ）、检测装置的组成：所述检测装置包括透镜（７）、传导光纤（１０）、固定该传导光纤（１０）的光纤固定装置（８）、采集该传导光纤（１０）传导出的光信号的光谱采集系统；所述光谱采集系统包括与传导光纤（１０）输出端相连的光谱分析仪（１１），以及与该光谱分析仪（１１）输出端相连的电脑（１２）；待焊接的金属片（５）与至少一层ＧＧ１７玻璃（４）固定在一起，激光沿金属片（５）的上表面扫描，激光焊接金属片（５）产生的等离子体辐射光从焊接小孔的一侧或两侧透过ＧＧ１７玻璃（４）透射出来，由所述检测装置采集等离子体光信号；在焊接过程等离子体光信号实时检测过程中，所述透镜（７）、传导光纤（１０）固定端和激光束（１）的相对位置保持不变；（ｂ）、检测方法：首先通过所述检测装置采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号，由光信号计算出等离子体电子温度Ｔ↓［ｅ］和等离子体电子密度ｎ↓［ｅ］，然后由等离子体压力Ｐ与等离子体电子温度Ｔ↓［ｅ］和等离子体电子密度ｎ↓［ｅ］的关系式得出小孔内等离子体压力Ｐ；ｐ＝［２ｎ↓［ｅ］＋ｎ↓［ｅ］↑［２］·ｇ↓［０］／２ｇ↓［１］·（２πｍ↓［ｅ］ｋＴ↓［ｅ］／ｈ↑［２］）↑［－３／２］·ｅｘｐ（Ｅ↓［ｉ］／ｋＴ↓［ｅ］）］·ｋＴ↓［ｅ］其中，ｐ为等离子体压力，单位为Ｐａ；ｍ↓［ｅ］为电子质量，其值为９．１１０×１０↑［－３１］ｋｇ；ｈ为Ｐｌａｎｃｋ常数，其值为６．６２６×１０↑［－３４］Ｊｓ；Ｅ↓［ｉ］为中性原子的电离能；ｋ为Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数；Ｔ↓［ｅ］为等离子体电子温度；ｇ↓［１］是高能级统计权重；ｇ↓［０］是低能级统计权重；ｎ↓［ｅ］为等离子体电子密度。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张屹，陈根余，李时春，金湘中，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43
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