CN103528703A - 激光等离子体的无源电检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光等离子体的无源电检测装置和方法，由两段相互平行的平行段和连接平行段的圆弧段组成，整体呈现M型，所述电检测装置的横截面为矩形，且在所述电检测装置的内部设置流道，用于水的流动和循环；所述两端平行段分别与通水管相连；所述电检测装置上设置有引线，用于进行激光等离子体的电信号检测。在进行测试时，使激光作用点位于装置凹进去的部分内，在待焊物件和M型电检测装置之间设置陶瓷垫，保持绝缘不致短路；将电检测引线与数据采集卡连接，数据采集卡连接计算机，做好数据采集准备工作；通水冷却即可。本发明激光等离子体电检测方法，提高激光焊过程对激光等离子体温度的实时电检测过程的稳定性和可靠性，并易于实施。

Description

激光等离子体的无源电检测装置和方法

技术领域

本发明属于材料加工技术，更加具体地说，具体涉及一种检测激光焊过程中激光等离子体性质的方法和装置。

背景技术

激光焊是重要的焊接方法，在激光焊过程中，会产生光致等离子体，亦称激光等离子体，对焊接过程有重要影响。激光等离子体内部会发生金属蒸发，能量的辐射、散射与吸收，对激光产生屏蔽作用，直接影响着焊接过程。本发明的应用目的就是探测激光等离子体，实时检测激光等离子体温度，有助于实施对激光焊过程的质量监控。在利用电探针检测等离子体方面，以Langmuir探针应用最广，这是一种有源探针，适合稳态等离子体的检测。无源电探针可以实时检测激光等离子体温度，已获相关的光电探针发明专利授权(专利号201110360537.5)，发明的光电探针方法验证了实时检测激光等离子体温度的可行性，但其中的电检测方法存在以下不足：

1）激光等离子体电检测依据的是等离子体鞘层理论，即一个冷体探入等离子体后，会因电子与离子不同的运动速度在冷体表面产生等离子体鞘层，使冷体带负电，冷体与等离子体之间的电位差可以反映等离子体温度的大小。原光电探针方法采用钨棒探入激光等离子体检测电信号，如果激光等离子体温度较高或钨棒在等离子体中放置时间较长，钨棒温度升高，达到一定温度（一般1000°K以上，°K表示开尔文温度，以下同）会产生较强的电子发射甚至会熔化，这样等离子体鞘层就失去了建立的条件，影响检测过程。因此，必须保证探入的冷体（钨棒）保持低温。

2）激光等离子云（熔池外激光等离子体）具有一定的波动性，而棒状的探针直径较小探测范围有限，激光等离子云的摇曳波动可能使其探针在某些时刻或条件下探测不到等离子体。为了使检测更可靠，探针要尽量靠近等离子云的中心（激光束的通道），还要防止被激光烧灼，其定位和调整难度很大。

发明内容

本发明针对上述现有技术(专利号201110360537.5)的不足，提出新的装置和方法加以改进，通过水冷方式保证电检测装置处于较低温度，改变原电探针的形状并辅以绝缘层及新的探测方法使电探测更稳定可靠。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

激光等离子体的无源电检测装置，由两段相互平行的平行段和连接所述两段平行段的圆弧段组成，整体以圆弧段为中心对称设置，呈现M型，所述电检测装置的横截面为矩形，且在所述电检测装置的内部设置流道，用于水的流动和循环；所述两端平行段分别与通水管相连；在圆弧段中央内置温度传感器（例如热电偶）检测该处温度，所述温度传感器将采集的温度信号传送给检测控制电路，所述检测控制电路根据采集的温度信号与预设温度要求的比较，控制流量控制阀的开启程度；所述电检测装置上设置有引线，用于进行激光等离子体的电信号检测。

所述电检测装置选择金属材质，优选铜；在所述M型电检测装置的圆弧段中央设置曲率半径为5—10mm，即所述圆弧段的中心选择曲率半径为5—10mm。

在圆弧段中央内置温度传感器，温度传感器位置距离电检测装置的底部1～2mm，嵌入电检测装置中深度3～5mm，内部设置的流道应与温度传感器互不影响。

在所述电检测装置中，通水予以冷却，优选采用流量控制阀和温度传感器相配合的方式，即所述温度传感器将采集的温度信号传送给检测控制电路，所述检测控制电路根据采集的温度信号与预设温度要求的比较，控制流量控制阀的开启程度，以实现循环水流量的变化和冷却效果。在进行使用时，在待焊物件和上述M型电检测装置之间设置陶瓷垫，厚度为1～4mm。

在进行激光等离子体的无源电检测时，按照下述步骤进行：

步骤1，安装电检测装置：使激光作用点位于电检测装置圆弧段的下凹部分内，距离所述圆弧段下凹处的最凹处1～2mm；利用陶瓷垫的厚度调整电检测装置距离工件表面的距离，例如根据需要在1～4mm之间，保持绝缘不致短路；将电检测引线与数据采集卡连接，数据采集卡连接计算机，做好数据采集准备工作

步骤2，根据要求选择激光焊参数，焊接开始后，选择在电检测装置对面侧向吹送保护气体（例如氮气、氦气或者氩气），可用较大气流量，使激光等离子云偏向圆弧段，以使其比电探针检测范围大；这样就将电探针的点检测改为本申请所述装置的面检测。

步骤3，开始信号采集，计算机接收电检测传感器的电压信号，转化储存到计算机中。

在整个测试的过程中，在所述电检测装置中，通水予以冷却。优选采用流量控制阀和温度传感器相配合的方式，控制冷却水流量，以实现电检测装置与激光等离子体接触的检测区域的温度基本恒定，尽量使检测温度不超过800°K。

根据以往的研究，物体表面的负电位可以表示为：

E_w=-(kT/4e)ln(m_i/m_e)

式中，E_w为电检测传感器的检测到的电压信号，m_i为离子质量，m_e为电子质量，K为玻尔兹曼常数，e为电子电量。因此电信号可以用来计算等离子体内电子温度。上述公式适用的前提是激光等离子体处于局部热力学平衡状态，这对于绝大多数情况是适用的，本发明的技术方案可用于检测等离子体内电子温度。

这种检测方法比电探针检测的范围更大，检测更稳定，检测时间更长。但检测的是一个局部较大范围的温度最小值，这是在分析等离子体内部温度时应加以注意的。本发明提出的激光等离子体电检测方法，提高激光焊过程对激光等离子体温度的实时电检测过程的稳定性和可靠性，并易于实施。本发明能够对激光焊过程等离子体进行实时检测，检测更稳定，检测时间更长；尤其适合激光深熔焊过程中周期性的等离子体喷发过程的检测，可以实时反映该过程的频率变化和温度变化，有利于进一步实施激光焊过程的质量监控。

附图说明

图1是本发明的激光等离子体的无源电检测装置使用时的总体布置示意图。

图2是本发明的电检测装置结构示意图。

图3是本发明的电检测装置与激光等离子体的位置关系图。

图4是利用无水冷的原探针的检测信号图（1）。

图5是利用无水冷的原探针的检测信号图（2）。

图6是利用本发明的水冷电检测装置电检测信号图。

图7是图6在4.6s附近局部展开图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图1—2所示，激光等离子体的无源电检测装置，由两段相互平行的平行段和连接平行段的圆弧段组成，整体呈现M型，所述电检测装置的横截面为矩形，且在所述电检测装置的内部设置流道，用于水的流动和循环；在圆弧段中央内置热电偶，热电偶位置距离电检测装置的底部1～2mm，嵌入电检测装置中深度3～5mm，内部设置的流道应与热电偶互不影响；所述两端平行段分别与通水管相连；所述电检测装置上设置有引线，用于进行激光等离子体的电信号检测。所述电检测装置选择金属材质，所述圆弧段的中心选择曲率半径为5—10mm。在进行使用时，在待焊物件和上述M型电检测装置之间设置陶瓷垫。

具体来说，在一个截面为8mm×8mm的铜条中沿长度方向制作一个贯穿孔作为通水槽（即流道），孔的形状无特殊要求，基本相当于直径3mm左右圆孔的截面即可，从铜条两侧接合适直径的铜管与通水槽联通，接口处密封，再通过通水软管与循环水装置和流量控制阀相连，热电偶通过热电偶引线与检测控制电路相连，检测控制电路与流量控制阀相连，并通过阀控制信号进行控制。在下表面安装1～4mm厚的陶瓷垫（厚度根据需要选择）；在铜条接上引线，就可以进行激光等离子体的电信号检测了。

在进行激光等离子体的无源电检测时，按照下述步骤进行：

步骤1，安装电检测装置：使激光作用点位于电检测装置圆弧段的下凹部分内，距离所述圆弧段下凹处的最凹处1～2mm，如附图3所示，由激光照射点产生的等离子体区域与电检测装置之间产生重叠区域；利用陶瓷垫的厚度调整电检测装置距离工件表面的距离，例如根据需要在1～4mm之间，保持绝缘不致短路；将电检测引线与数据采集卡连接，数据采集卡连接计算机，做好数据采集准备工作。

步骤2，根据要求选择激光焊参数，焊接开始后，选择在电检测装置对面侧向吹送保护气体，可用较大气流量，使激光等离子云偏向圆弧段，以使其比电探针检测范围大。

步骤3，开始信号采集，计算机接收电检测传感器的电压信号，转化储存到计算机中。

对激光等离子体的电检测中，比较有意义和价值的是距离激光作用点3mm以内范围的检测，这个范围的电信号较强，可以更好反映等离子体的特点；这意味着实际检测点距离激光传输通道的中心线在2mm以内，距离工件表面也在2mm以内；但也不能过于靠近激光作用点而导致探测装置过热甚至熔化，其调整和定位的难度很大，在本发明中可通过圆弧段的曲率半径进行调整，并可通过陶瓷垫来调整高度。采用现有技术(专利号201110360537.5)的检测存储和分析手段，分别采用原有探针(专利号201110360537.5)和本发明的技术方案进行相同激光工艺参数下的检测。

如附图4—7所示，前两图（图4、图5）为原有电探针检测的负信号维持一段时间后，出现了正信号，并且越往后正信号的出现越占优势；而图6为本发明技术方案检测的电信号，则一直保持了稳定的负信号，在初始阶段出现的极小的正信号可忽略，可能是噪声信号，图7为图6的局部放大。负信号来源于电检测的正常过程，说明了等离子鞘层已建立；正信号说明产生了较强烈的电子发射，检测装置的检测处温度较高，等离子鞘层失去了建立的条件。这些图中0伏附近的较稳定信号应是没有检测到等离子体或等离子体尚未产生。

通过图4—7比较，可以看出新设计的电检测装置克服了原电探针检测两个明显的缺点：1）由于散热条件不好，电探针在检测初期可以获得正常的检测信号，后期热积累使电探针温度过高而使等离子鞘层被破坏，失去检测的合理条件，检测过程振荡、不稳定，检测信号无法反映等离子体的温度变化特征；2）电探针进行的是局部的点检测，激光等离子体固有的无规律波动、摇曳可能使检测点没有等离子体达到，检测信号为零信号。新设计的电信号检测装置检测则获得了长时间稳定的负信号，检测的稳定性和可靠性大为提高，为实际工业应用奠定了基础。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.激光等离子体的无源电检测装置，其特征在于，由两段相互平行的平行段和连接所述两段平行段的圆弧段组成，整体以圆弧段为中心对称设置，呈现M型，所述电检测装置的横截面为矩形，且在所述电检测装置的内部设置流道，用于水的流动和循环；所述两端平行段分别与通水管相连；在圆弧段中央内置温度传感器检测该处温度，所述温度传感器将采集的温度信号传送给检测控制电路，所述检测控制电路根据采集的温度信号与预设温度要求的比较，控制流量控制阀的开启程度；所述电检测装置上设置有引线，用于进行激光等离子体的电信号检测；在所述M型电检测装置的圆弧段中央设置曲率半径为5—10mm。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体的无源电检测装置，其特征在于，所述电检测装置选择金属材质，优选铜。

3.根据权利要求1所述的激光等离子体的无源电检测装置，其特征在于，在圆弧段中央内置温度传感器，内部设置的流道应与温度传感器互不影响，温度传感器位置距离电检测装置的底部1～2mm，嵌入电检测装置中深度3～5mm。

4.利用如权利要求1—3之一所述的激光等离子体的无源电检测装置进行检测的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤1，安装电检测装置：使激光作用点位于电检测装置圆弧段的下凹部分内，距离所述圆弧段下凹处的最凹处1～2mm；在待焊物件和M型电检测装置之间设置陶瓷垫，利用陶瓷垫的厚度调整电检测装置距离工件表面的距离，保持绝缘不致短路；将电检测引线与数据采集卡连接，数据采集卡连接计算机，做好数据采集准备工作；

步骤2，根据要求选择激光焊参数，焊接开始后，在电检测装置对面侧向吹送保护气体，使激光等离子云偏向圆弧段，以使其检测范围为面检测；

步骤3，开始信号采集，计算机接收电检测传感器的电压信号，转化储存到计算机中；

在整个测试的过程中，在所述电检测装置中，通水予以冷却，采用流量控制阀和温度传感器相配合的方式，控制冷却水流量，以实现电检测装置与激光等离子体接触的检测区域的温度基本恒定。

5.根据权利要求4所述的进行检测的方法，其特征在于，所述陶瓷垫厚度为1～4mm。

6.根据权利要求4所述的进行检测的方法，其特征在于，所述保护气体为氮气、氦气或者氩气。

7.根据权利要求4所述的进行检测的方法，其特征在于，通过控制以使电检测装置与激光等离子体接触的检测区域的温度不超过800°K。

8.如权利要求4所述的检测方法在检测等离子体内电子温度中的应用。

9.如权利要求4所述的检测方法在激光焊接过程中的应用，对等离子体进行实时检测；尤其适合激光深熔焊过程中周期性的等离子体喷发过程的检测，实时反映频率变化和温度变化。

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