CN109623205B - 一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件及方法，所述物件包括在上的液体容器和在下的支撑件，所述液体容器至少包含一个竖向的侧板为平板且为透明玻璃材质，且其底板为透明玻璃材质，所述支撑件的顶板为空缺或为透明玻璃材质，且整个物件的底面即支撑件的底面水平设置时，液体容器的内底面即液底面为平面，且其与水平面间呈θ度夹角，0°＜θ＜90°；所述物件还包括添加在液体容器中的用于模拟深熔焊接时熔化态金属的实验液体。本专利提出的用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件及方法，为彻底解决深熔焊接小孔内压力的直接检测难题提供了一条很好且可行的途径，给研究深熔焊接小孔孔内压力与小孔形状的关系带来了很大的便捷。

Description

一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件及方法

技术领域

本发明涉及深熔焊接领域，具体涉及一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件及方法。

背景技术

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(薄壁物件及铝、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铝合金时的小孔是完全可行的。采用这种透明物件材料，通过高速摄影方法(见附图1小孔观测装置(一)示意图)，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，申请人对上述实验装置(一)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，见附图2小孔观测装置(二)示意图)，聚焦激光直接入射到铝膜上部并沿铝膜运动的方法，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(见附图3小孔观测装置(三)示意图)，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，采用附图1至附图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。

综上所述可以发现：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)的小孔轮廓形状，而无法获取真实的三维小孔形状。

二、小孔内压力检测的研究现状

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。

在深熔焊接过程中，小孔内的压力平衡是维持小孔形成和稳定的一个重要因素。但是，在深熔焊接过程中，小孔隐藏于工件内部，而且小孔尺寸细小，孔内压力不便于直接测量，在一定程度上阻碍了研究人员对小孔形成机理和维持稳定的原因的探究。现有关于深熔焊接小孔孔内压力的研究，主要是采用流体力学相关理论进行仿真计算来确定孔内压力的，还有部分学者是通过检测深熔焊接小孔内等离子体的辐射光谱信号来计算等离子体的压力、电子温度及电子密度的，尚未见有关于深熔焊接小孔孔内压力直接检测的相关报道。关于小孔内的压力平衡，现有文献认为，在激光深熔焊接小孔内部，主要存在以下几种压力：材料的汽化压力、由重力引起的流体静压力、表面张力以及由熔融材料流动所产生的流体动压力。在这些压力中，毫无疑问，流体静压力和表面张力都力图使小孔关闭，汽化膨胀压力在维持小孔张开。而对于流体动压力的作用，目前存在着两种截然不同的观点。第一种观点认为，只有汽化压力在维持小孔张开，流体动压力与流体静压力、表面张力一样，都力图使小孔关闭。目前大多数文献和模型都持这种观点。第二种观点认为是汽化压力和流体动压力共同在维持小孔张开。Berger认为：由于流体动压力沿小孔表面从前沿至后沿的变化，它部分趋于关闭小孔，部分又趋于维持小孔张开。Dowden等人建立了一个数学模型来研究流体动压力和小孔形成之间的关系。通过计算他们认为：在薄板激光焊接中，毫无疑问是汽化压力在维持小孔张开；而在厚板的激光深熔焊接中，汽化压力在维持小孔张开中的作用仅仅只局限于小孔的两头部位，而在小孔的中间部位，几乎完全是由材料蒸汽流动所产生的流体动压力在维持小孔张开。张屹等人利用透镜成像放大原理，将激光深熔焊接小孔放大，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，实验原理见图4。

综上所述可以看出，关于深熔焊接小孔孔内压力的研究，目前主要局限于采用模拟仿真或者计算方法开展的理论研究方面，尚未见有通过实验检测孔内压力的相关报道，仿真和计算结果的正确性尚不能通过实验手段进行验证。因此，关于小孔孔内的压力平衡在小孔形成和维持中的作用以及小孔孔内压力与小孔形状关系的研究还有待深入。

发明内容

因此，本发明首先提供一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件，所述物件包括在上的液体容器和在下的支撑件，所述液体容器至少包含一个竖向的侧板为平板且为透明玻璃材质，所述液体容器的底板为透明玻璃材质，所述支撑件的顶板为空缺或为透明玻璃材质，且整个物件的底面即支撑件的底面水平设置时，液体容器的内底面即液底面为平面，且所述液底面与水平面之间呈θ度夹角，且0°＜θ＜90°；所述物件还包括添加在液体容器中的用于模拟深熔焊接时熔化态金属的实验液体。

在一种具体的实施方式中，所述液体容器的外形为顶面、倾斜底面和一个竖向侧面均为矩形，且有两个相对的竖向侧面为直角三角形的三棱柱形结构；且液体容器的两个直角三角形竖向侧板中至少一个设置为透明玻璃材质。

在一种具体的实施方式中，所述支撑件(21)为空心或实心结构，且所述支撑件为实心结构时，其整体为透明玻璃材质。

在一种具体的实施方式中，包括液体容器和支撑件的所述物件由透明玻璃制备得到。

在一种具体的实施方式中，1°≤θ≤60°，优选2°≤θ≤45°，更优选5°≤θ≤30°。

在一种具体的实施方式中，所述物件整体呈长方体或正方体形，所述实验液体为透明或不透明液体，优选为金属汞或非金属液体。

本发明还提供一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的方法，包括使用上述物件，以及使用设置在物件上方的高压气体喷头、用于检测高压气体喷头中喷出的气体的压力的压力表以及至少一台用于拍摄高压气体喷射实验液体形成的模拟小孔的形貌的摄像机，所述方法包括先使用一台摄像机从液体容器的侧壁处拍摄该实验的气体压力下形成的模拟小孔的纵截面形貌，且摄像机的运动方向为从实验液体的浅端到深端或从实验液体的深端到浅端，高压气体喷头的喷嘴沿液体容器的侧壁处前行。

在一种具体的实施方式中，在使用一台摄像机拍摄该压力下模拟小孔的纵截面形貌后，再使用一台摄像机从液体容器的底部拍摄该压力下模拟小孔的横截面形貌。

在一种具体的实施方式中，在使用一台摄像机拍摄该压力下模拟小孔的纵截面形貌后，再使用两台摄像机同时拍摄该压力下的模拟小孔，其中一台摄像机从液体容器的底部拍摄该压力下模拟小孔的横截面形貌，另一台摄像机从液体容器的侧面拍摄该压力下模拟小孔的纵截面形貌。

在一种具体的实施方式中，先使用一种金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置观测真实小孔的形貌，再将真实小孔的形貌与所述模拟小孔的形貌做对比；且所述金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置包括焊接头、位于焊接头下方的复合试件，以及用于观测小孔形貌的图像拍摄部件(7)；所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头；所述复合试件包括在上的金属部件(4)和在下的GG17部件(5)，且整个复合试件的顶面即金属部件的顶面为平面，金属部件的底面与GG17部件的顶面均为光滑的结合面，所述金属部件和GG17部件的结合面(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影。

本发明还提供一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的装置，包括一种物件、设置在物件上方的高压气体喷头、用于检测高压气体喷头中喷出的气体的压力的压力表以及至少一台用于拍摄高压气体喷射实验液体形成的模拟小孔的形貌的摄像机；所述物件包括在上的液体容器和在下的支撑件，所述液体容器至少包含一个竖向的侧板为平板且为透明玻璃材质，所述液体容器的底板为透明玻璃材质，所述支撑件的顶板为空缺或为透明玻璃材质，且整个物件的底面即支撑件的底面水平设置时，液体容器的内底面即液底面为平面，且所述液底面与水平面之间呈θ度夹角，且0°＜θ＜90°；所述物件还包括添加在液体容器中的粘度大于水的用于模拟深熔焊接时熔化的金属的不透明实验液体。

在一种具体的实施方式中，所述摄像机为两台，且所述装置还包括反射镜(19)，第一摄像机(18)设置在物件旁用于从液体容器的侧壁处拍摄模拟小孔，第二摄像机(20)与反射镜共同用于从所述液底面的下方拍摄模拟小孔。

在一种具体的实施方式中，所述高压气体喷头的气嘴内径为1～7mm，优选2～5mm。

在一种具体的实施方式中，所述液体容器的外形为顶面、倾斜底面和一个竖向侧面均为矩形，且有两个相对的竖向侧面为直角三角形的三棱柱形结构；且液体容器的两个直角三角形竖向侧板中至少一个设置为透明玻璃材质。

在一种具体的实施方式中，所述支撑件(21)为空心或实心结构，且所述支撑件为实心结构时，其整体为透明玻璃材质。

在一种具体的实施方式中，所述物件整体呈长方体或正方体形。

在一种具体的实施方式中，所述实验液体为透明或不透明液体，优选为金属汞或非金属液体。

在一种具体的实施方式中，包括液体容器和支撑件的所述物件由透明玻璃制备得到。

在一种具体的实施方式中，1°≤θ≤60°，优选2°≤θ≤45°，更优选5°≤θ≤30°。

本发明还提供一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的方法，所述方法包括使用一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的装置进行检测。

本发明至少具有如下有益效果：

1)本专利提供的实验液体模拟小孔观测装置与方法，通过采用高压气流喷射常温下实验液体的方法提供了一种模拟小孔产生的途径，能实现通过透明材料同时从侧面观测和底面分层直接观测不同深度处的小孔截面轮廓形状，直观、方便，高压气体和液态材料种类不受限，小孔观测无死角，有助于加深对小孔形成机理的理解。

2)本专利提供的深熔焊接小孔内压力模拟检测装置与方法，能通过改变气体喷射压力、喷头移动速度和液体种类来改变容器内液体的模拟小孔的形状，给研究小孔孔内压力与小孔形状的关系带来了很大的便捷。

附图说明

图1为现有技术中的第一种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图2为现有技术中的第二种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图3为现有技术中的第三种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图4为现有技术中的一种小孔内压力计算示意图。

其中，1-激光束；3-焊接小孔内等离子体；4-GG17玻璃；5-金属片；7-透镜；8-光纤固定装置；10-传到光纤；11-光谱分析仪；12-电脑；13-焊接小孔内等离子体放大倒影像。

图5为激光深熔焊接小孔孔内压力模拟检测实验装置示意图。

图6为用于观测真实小孔形貌的金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置示意图。

图5和图6中：

15-高压气体喷头、16-压力表、17-模拟小孔、18-第一摄像机、19反射镜、20-第二摄像机、21-支撑件、22-实验液体、23-高压气体喷头运动方向、24-液体容器。

1-激光束、2-压缩空气入口、3-激光焊接喷嘴、4-金属部件、5-GG17部件、6-滤光片、7、图像拍摄部件、8-第二反射镜、9-真实小孔、10-焊接方向、11-氩气喷嘴、12-GaAs聚焦透镜、88-结合面。

具体实施方式

本发明中，所述透明玻璃材质包括强化或未强化的硅酸盐玻璃、蓝宝石玻璃、有机玻璃、亚克力板等透明且具备一定强度的有固定形状的材质。

本发明中，所述高压气体喷头的喷嘴为半圆形或圆形，如果高压气体喷头的喷嘴为半圆形，则其直径边贴设实验容器侧壁的内壁运动。而若高压气体喷头的喷嘴为圆形，则高压气体喷头的喷嘴中的一半面积压设在实验容器侧壁上，使得只有截面为半圆形的高压气体喷射至实验液体中，以便得到模拟小孔的纵截面的形貌。

本发明中，与所述金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置相应的金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测的方法，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形貌的图像拍摄部件，且所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影；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。

本发明中，喷头喷出的气体压力需要足够大，至少可以冲击实验液体形成模拟小孔且模拟小孔与所述液底面产生接触。且一般在同一次实验中，所述气体压力设置为一个固定值。通过观测不同气体压力和喷头移动速度等条件下形成的小孔形貌与深熔焊接时产生的真实小孔的形貌对比，可以得知小孔内的真实压力情况。

本发明的方法中，可以使用一台摄像机先观察该气体压力下形成的模拟小孔的侧面(纵截面)形貌，如果侧面轮廓与真实小孔轮廓接近，再从物件底部拍摄和重构小孔，此时高压气体喷头可以不再沿着液体容器的透明玻璃侧壁处运动，而可以在液体容器上方的中间部位运动，因而在液底面上形成完整的小孔截面在水平面上投影的形貌。待该压力条件下形成的小孔与真实小孔的三维形貌基本一致时，说明该压力即为深熔焊接小孔内的真实压力。当然，也可以在判断出模拟小孔的侧面轮廓与真实小孔轮廓接近之后，使用两台摄像机同时观察该气体压力下形成的小孔的侧面形貌和液底面上的小孔在水平面的投影形貌，此时高压气体喷头沿着液体容器的透明玻璃侧壁处运动，高压气体喷头喷嘴的一半处于液体容器内用于喷射实验液体形成半边小孔。

本发明中，所述平面是相对于曲面而言，所述平面可以是水平面、竖直面或斜面等设置方式。

实施例1

本实施例提供如图6所述的金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置，以及使用如图6所示装置分层直接观测不同深度处的小孔横截面轮廓形状的技术方案。

金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置包括焊接头、位于焊接头下方的复合试件，以及用于观测小孔形貌的图像拍摄部件；所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头；所述复合试件包括在上的金属部件4和在下的GG17部件5，且整个复合试件的顶面即金属部件的顶面为平面，金属部件的底面与GG17部件的顶面均为光滑的结合面，所述金属部件和GG17部件的结合面88与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影。

如图6所示，本发明提供的金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测的方法包括如下步骤，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形貌的图像拍摄部件，且所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影；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。

如图6所示，一种用于金属材料深熔焊接(激光、电子束等)小孔形貌直接观测的新装置，包括主要由激光束1、压缩空气入口2、激光焊接喷嘴3、氩气喷嘴11、GaAs聚焦透镜12组成的激光焊接头，由金属部件4和GG17部件5组成的复合试件，以及由滤光片6、摄像机和反射镜8组成的图像拍摄部件。

图6中观测的实验原理：本发明采用双层复合工件，即上部分金属部件4为工程实际中广泛使用的金属，下部分GG17部件5为透明的、抗热震性好的特种玻璃GG17，两者的结合面为一小角度的斜面。利用GG17玻璃蒸汽和金属等离子体的发光强度的差异，高速相机透过透明玻璃材料从工件下部直接观测金属材料深熔焊接时不同深度处金属部件与GG17玻璃部件结合面上的小孔、熔池形状。在焊接稳定的情况下，通过选择合适厚度的滤光片6，高速相机获取一系列的小孔、熔池截面轮廓，即逐层截面直接观测，类似于医学上常用的CT(电子计算机断层扫描)成像技术。在小孔截面形状逐层观测结果的基础上，通过重构可获得真实三维小孔形状，为小孔效应的理论研究提供精确小孔形状依据。

小孔的直径和深度会因焊接功率、焊接速度、离焦量以及工件材料不同而有所不同，但激光深熔焊接的小孔直径通常小于1mm。在金属材料的深熔焊接的稳定状态下，这个小孔是一直存在的，且等离子体充满整个小孔内部。也就是说，现有技术中本领域技术人员已经知晓该小孔是不规则的弯曲小孔，其整体在高度方向上(竖向)大致呈弯曲且尖头朝下的上大下小的形状，且小孔的弯曲方向与焊接方向相反，小孔的顶面形状有报导为圆形、椭圆形或呈水滴状等形状。且现有技术中已经知晓小孔的高度以及小孔在对称截面的形状。但现有技术中并不清楚小孔内各个深度处的小孔的横截面形状，在小孔重构时只能将该深处的横截面形状理想化地描述成圆形、椭圆形或水滴型等与小孔的顶面形状为相似图形的形状。而包括发明人在内的不少学者认为，因金属的深熔焊接是个动态变化的过程，因而小孔内部的横截面形状可能与小孔顶部的形状并无关系。但现有技术中却没有一种能全方位直接观测深熔焊接小孔形貌的装置。

在图6中所示的焊接方向下，最开始是成像出小孔顶面(径向尺寸最大处)的形状，最后成像出小孔底部即其尖头部位的形状。如果焊接方向为与图6中焊接方向相反，则最开始时成像出小孔底部即其尖头部位的形状，最后成像出小孔顶面的形状。

本发明中，所述高速相机为高速摄像机的简称，也即CCD。图6中所述高速相机设置在复合试件的侧面，主要目的是防止深熔焊接时金属飞溅而损伤相机。在激光深熔焊接过程中，虽然激光照射的方向可以是任意方向上，但最常用的激光照射方向一般是竖直向下或略微倾斜，本发明为了便于研究深熔焊接时形成的小孔的形貌，因而选择激光竖直向下照射。

在深熔焊接之前，本发明中所述复合试件中不含小孔。所述复合试件包括在上的金属部件4和在下的GG17部件5，且整个复合试件的顶面即金属部件的顶面为平面，金属部件的底面与GG17部件的顶面均为光滑的结合面，所述金属部件和GG17部件的结合面(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°。

在制备本发明的复合试件过程中，将金属部件和GG17部件的结合面均打磨光滑，再用夹具将二者固定在一起形成复合试件。

本发明中，所述n的取值例如为1°≤n≤60°，优选2°≤n≤45°，更优选5°≤n≤30°。所述角度n越大，越趋近于90°时，复合试件的高度与焊接方向上复合试件的长度的比值越大，在同样的焊接速度下，结合面上的小孔形貌变化越快，因此n过大时可能会导致高速相机的摄像速度和精度达不到要求，影响小孔的观测精度。所述角度n越小，越趋近于0°时，复合试件的高度与焊接方向上复合试件的长度的比值越小，在同样的焊接速度下，结合面上小孔形貌变化越慢，因此n越小时一般拍摄精度越高。但n过小时可能会导致复合试件的长度(在焊接方向上的长度)过大。

本发明中，若金属部件为四棱柱形，则小孔顶部开始的一段深度的小孔形貌将无法拍摄到，因而优选本发明中金属部件为三棱柱形结构。本发明中，优选复合试件的底面与复合试件的顶面平行，方便所述复合试件被夹具固定以及观测。

本发明中，复合试件中在下的部分采用GG17玻璃部件。GG-17属于防火玻璃的一种，具体是一种高硼硅玻璃。高硼硅玻璃具有非常低的热膨胀系数，耐高温，耐200度的温差剧变。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。GG17玻璃的光谱对铝合金深熔焊接的观测不会产生影响和干涉，因此成为目前所知的铝合金深熔焊接研究的最佳玻璃。但若未来发现或研究出比GG17玻璃更为合适的在下部件，可将其替代本发明中的GG17部件用于得到复合试件。

此外，现有技术以及本发明装置中，所述GaAs聚焦透镜的用途是将激光束发出的光线聚焦形成较小光斑，起到集中能量的作用。所述保护氩气的用途主要有①隔离空气，避免金属部件焊接过程中氧化影响焊接效果；②吹走小孔上部形成的等离子体，避免等离子体改变激光路径，影响焊接热量输入；③加强工件表面散热，有效地减少工件变形等作用。所述保护空气即压缩气体的用途是避免焊接飞溅物破坏所述GaAs聚焦透镜。所述滤光片的用途是拍摄到合适亮度的照片，能够明显地区分出小孔部分和高温熔池部分，具体的实现办法是：调节滤光片的衰减率，衰减拍摄部分的亮度，以获得图像清晰的小孔截面照片。

现有技术装置中都是从侧面直接拍摄小孔的截面(即结合面)的形貌，因而其中不需使用反光镜改变光线的方向。而本发明装置中是从复合试件的下方去拍摄小孔的截面(即结合面)在水平面上投影的形貌，而为免高速相机等设备等被飞溅的熔融金属损伤而不能直接将其设置在复合试件的下方，因而本发明中需要使用反射镜来观测深熔焊接的小孔。另外，因为复合试件的下部分是透明的玻璃，上部分是不透明的金属，而相机从下往上拍摄，因而本发明中高速相机观测到的是结合面上的小孔、熔池形状，且直接观察到的是该形状在水平面上的投影。

本发明的装置和相应方法中，本领域技术人员能理解的，都是从所述交线L的中部位置开始焊接，一般是焊接至交线L的对边的中部位置时结束焊接；或者是以与此相反的路径焊接。深熔焊接铝合金的速度例如为1000mm/min，当然也可以是其它更快或更慢的焊接速度。

从附图可见，现有技术中焊接方向线与结合面平行或在结合面内，而本发明中焊接方向线与结合面形成一个锐角夹角。

实施例2

本实施例提供如图5所述的用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件和装置，以及用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的方法。

高压气体通过高压气体喷头15沿液体容器24的侧壁喷射到实验液体22表面上，在液体内形成模拟小孔17。高压气体通过喷头15与液体容器24存在相对运动。气体压力由压力表16检测，高速相机即第一摄像机18透过液体容器24的透明侧壁拍摄模拟小孔的纵向对称面的形貌，高速相机即第二摄像机20透过支撑件21拍摄液底面上的模拟小孔形貌。通过改变气体喷射压力、喷头移动速度和液体种类可改变容器内液体形成的模拟小孔的形状，以此来研究小孔孔内压力与小孔三维形貌的关系。

模拟小孔观测及孔内压力检测的方法：

该装置如附图5激光深熔焊接小孔孔内压力模拟检测装置所示，由一个高压气体喷头15、一个底部为斜面的透明玻璃液体容器24和两台高速摄像机18、20组成，容器内盛有一定深度的某种液体22(如汞)。实验时，高压气体喷头15与液体容器24按一定速度相对运动(类似于深熔焊接的焊接速度)，高压气体喷头运动方向23模拟深熔焊接的焊接头运动方向，具有一定压力的气体从喷嘴15喷射到液体容器内的实验液体上，在实验液体内形成模拟小孔，第一摄像机18透过玻璃从容器侧面拍摄液体小孔形状，而第二摄像机20则透过玻璃从容器下部拍摄液底面上的液体小孔截面在水平面的投影形状；综合两台高速摄像机拍摄的小孔照片，通过重构可得到三维小孔形状。通过改变气体喷射压力、喷头移动速度和液体种类可改变容器内形成的液体模拟小孔的形状，以此来研究小孔孔内压力与小孔形状的关系。该模拟检测方法可有效解决小孔孔内压力直接测量的难题，为深入研究孔内压力平衡在激光深熔焊接小孔形成和维持中的作用机理提供一种可行途径。

与现有技术不同的，本发明在如下几个方面取得了重大突破。

1)针对现有金属材料深熔焊接小孔观测方法只能观测工件顶面、底面或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面)的小孔轮廓形状，不能实现小孔全方位观测的不足，本发明提出了一种采用高压气流喷射常温下液态材料来模拟产生小孔的方法，并提供了一套通过透明材料实现同时从侧面观测和分层直接观测不同深度处的小孔截面轮廓形状的实验装置与方法，有助于加深对小孔形成机理的理解。

2)针对现有深熔焊接小孔孔内压力只能借助模拟仿真或者计算确定、尚不能通过实验来检测的局限，本发明提供了一种模拟检测小孔内压力的新方法。该方法通过检测气体喷射压力并观测不同气体压力下模拟小孔的形状，研究小孔内的压力平衡以及气体压力与小孔形状、尺寸的关系，为深熔焊接小孔孔内压力的实验检测提供了一条可行途径。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的物件，其特征在于，所述物件包括在上的液体容器(24)和在下的支撑件(21)，所述液体容器至少包含一个竖向的侧板为平板且为透明玻璃材质，所述液体容器的底板为透明玻璃材质，所述支撑件的顶板为空缺或为透明玻璃材质，且整个物件的底面即支撑件的底面水平设置时，液体容器的内底面即液底面为平面，且所述液底面与水平面之间呈θ度夹角，且0°＜θ＜90°；所述物件还包括添加在液体容器(24)中的用于模拟深熔焊接时熔化态金属的实验液体。

2.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，所述液体容器的外形为顶面、倾斜底面和一个竖向侧面均为矩形，且有两个相对的竖向侧面为直角三角形的三棱柱形结构；且液体容器的两个直角三角形竖向侧板中至少一个设置为透明玻璃材质。

3.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，所述支撑件(21)为空心或实心结构，且所述支撑件为实心结构时，其整体为透明玻璃材质。

4.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，包括液体容器和支撑件的所述物件由透明玻璃制备得到。

5.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，5°≤θ≤30°。

6.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，所述物件整体呈长方体或正方体形，所述实验液体为金属汞或非金属液体。

7.一种用于模拟检测深熔焊接小孔内压力的方法，其特征在于，包括使用如权利要求1～6中任意一项所述的物件，以及使用设置在物件上方的高压气体喷头(15)、用于检测高压气体喷头中喷出的气体的压力的压力表(16)以及至少一台用于拍摄高压气体喷射实验液体形成的模拟小孔(17)的形貌的摄像机，所述方法包括先使用一台摄像机从液体容器的侧壁处拍摄该实验的气体压力下形成的模拟小孔的纵截面形貌，且摄像机的运动方向为从实验液体的浅端到深端或从实验液体的深端到浅端，高压气体喷头的喷嘴沿液体容器的侧壁处前行。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，在使用一台摄像机拍摄该压力下模拟小孔的纵截面形貌后，再使用一台摄像机从液体容器的底部拍摄该压力下模拟小孔的横截面形貌。

9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，在使用一台摄像机拍摄该压力下模拟小孔的纵截面形貌后，再使用两台摄像机同时拍摄该压力下的模拟小孔，其中一台摄像机从液体容器的底部拍摄该压力下模拟小孔的横截面形貌，另一台摄像机从液体容器的侧面拍摄该压力下模拟小孔的纵截面形貌。

10.根据权利要求7～9中任意一项所述方法，其特征在于，先使用一种金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置观测真实小孔的形貌，再将真实小孔的形貌与所述模拟小孔的形貌做对比；且所述金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置包括焊接头、位于焊接头下方的复合试件，以及用于观测小孔形貌的图像拍摄部件(7)；所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头；所述复合试件包括在上的金属部件(4)和在下的GG17部件(5)，且整个复合试件的顶面即金属部件的顶面为平面，金属部件的底面与GG17部件的顶面均为光滑的结合面，所述金属部件和GG17部件的结合面(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影。

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