CN110640341A - 一种激光焊接等离子体温度实时监测方法 - Google Patents

一种激光焊接等离子体温度实时监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，包括：1，工件夹紧；2，安装金属探针所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极；金属探针为纯铜管状金属探针；3，设置焊接参数，设置激光输出功率，焊接速度，保护气流量；步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，进行计算，获得激光焊接等离子体温度。本方法进一步完善了基于等离子体鞘层理论的激光焊接等离子体电探测原理，并提出一种新型的等离子体电信号探测方法，可实现激光焊接过程中的等离子体信息在线检测。

Description

一种激光焊接等离子体温度实时监测方法
技术领域
本发明属于激光智能制造技术领域，具体涉及一种激光焊接等离子体温度实时监测方法。
背景技术
作为21世纪先进制造领域的重要技术之一，激光先进焊接技术具有集成化、智能化、信息化和环境友好的特点，因而具有重要的战略意义和应用价值。激光焊接是利用高强度的激光束照射材料表面，通过激光与材料的相互作用，使得材料熔化后冷却结晶形成焊接，具有能量密度高，焊接速度快，焊接变形小，焊接质量高等特点。现已经广泛应用于航空、航天、军工等精密加工领域。
然而，激光焊接过程是一个极其复杂的物理化学过程，尤其是在深熔焊接过程中，包含了材料的快速蒸发、熔化、气化、电离以及快速冷却和非平衡凝固等现象。并且当激光功率密度达到某一阈值时，金属材料表面剧烈气化形成高温金属蒸气，在激光辐照下粒子发生电离，形成致密的激光焊接等离子体。等离子体本身不仅对激光能量有吸收、散射及折射作用，而且还会影响小孔和熔池的稳定性。当激光束与等离子体相互作用，致使进入小孔中的激光能量发生变化，进而导致小孔内的金属蒸发气化等发生剧烈变化。总之，小孔的稳定性与等离子体的波动及焊接质量具有密切的联系。另外，作为激光与物质相互作用的中心环节，激光焊接等离子体中包含着大量的反应激光焊接过程的信息，对这些信息进行检测对于实现激光焊接质量的在线控制具有重要的实际意义。近年来，国内外学者在激光焊接质量的实时监控方面已经展开了广泛的研究，普遍认为激光焊接等离子体的温度与激光焊接模式及焊接质量有密切的联系。故若要获得质量可靠的焊缝，需要找到一种可进行激光焊接等离子体实时监测的技术手段，才能真正实现激光焊接智能化，才符合先进激光制造的理念。
现阶段，在激光焊接过程监控领域，主要是利用光谱诊断法对等离子体温度信息进行采集。但是光谱采集具有延时性，而等离子体在激光焊接过程中处于剧烈的波动状态，故利用光谱诊断法难以对焊接过程进行实时监测。在前期的研究中，专利(201110360537.5)和专利(201310513676.6)对基于等离子体鞘层理论的无源电探针方法进行了说明。其中专利(201110360537.5)利用裸露的钨棒作为探针对等离子体进行探测，但是由于等离子体具有极高的温度，处于等离子体中的钨棒会烧损，导致检测结果出现较大的误差。为了解决探针烧损的问题，专利(201310513676.6)利用M型的铜管作为探针对等离子体进行检测。虽然M型铜管可以解决探针烧损的问题，但是M型铜管外形复杂，较钨棒而言，难以保证不对焊接过程产生影响。在此之外，在专利(201110360537.5)和专利(201310513676.6)中都未对检测原理进行阐述。而且，在专利(201310513676.6)中提出的等离子体电信号幅值公式Ew＝-(kT/4e)In(mi/me)中，只是考虑了探针与等离子体之间的鞘层效应，并未考虑小孔内的等离子体对采集到的电信号幅值的影响，故应用此公式得到的等离子体温度会与实际的等离子体温度存在较大的误差。另外，此电信号幅值公式忽略了浮动电位对等离子体鞘层中运动粒子的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，该监测方法可以高效、稳定、经济的实时监测等离子体温度信息。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；
步骤2，安装金属探针，所述金属探针边沿距离激光斑点外延距离w为0～3mm，所述金属探针边沿距离所述工件上表面距离h为1～4mm，且所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极；
所述金属探针为纯铜管状金属探针；
步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率，焊接速度，保护气流量；
步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接等离子体温度；
Figure BDA0002212020880000021
其中Te为等离子体温度，TB为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量，e为元电荷常数，φprobe为所述金属探针与所述工件间的电压。
上述技术方案中，所述纯铜管状金属探针的外径为1～2mm，壁厚为0.2～0.5mm。
上述技术方案中，所述纯铜管状金属探针两端分别连接冷却液进管和冷却液出管。
上述技术方案中，所述金属探针通过夹持装置与激光头连接，金属探针轴线方向平行于焊接方向，并通过冷却液进管和冷却液出管冷却；所述金属探针在夹持装置作用下与激光头轴线呈夹角α，所述α范围在0°<α<10°，使得探针外径边沿与激光斑点边沿的距离w在0到3毫米之间，设置此角度的原因是为了防止，激光束直接与探针相接触。
上述技术方案中，所述工件材质为金属材料。
上述技术方案中，所述步骤4，在焊接过程中通过冷却液进管向所述金属探针中持续通入冷却液。
上述技术方案中，所述冷却液为水。
上述技术方案中，所述保护气为氩气或氦气。
上述技术方案中，所述保护气流量10L/min～30L/min。
本发明的优点和有益效果为：
为了找到一种实时性好，稳定性高，经济高效的激光焊接等离子体温度实时监测及质量控制方法，本发明进一步完善了基于等离子体鞘层理论的激光焊接等离子体电探测原理，并提出一种新型的等离子体电信号探测方法，可实现激光焊接过程中的等离子体信息在线检测，进而为激光焊接质量在线诊断提供了一种理论基础及技术支持。
附图说明
图1是等离子体与固壁(冷体)接触形成的等离子体鞘层示意图，8：激光焊接等离子体，9：固壁(冷体)，10：等离子体鞘层，11：正离子，12：原子，13：电子。
图2是基于等离子体鞘层原理的激光焊接等离子体探测原理示意图，1：工件，2：焊接熔池，3：小孔壁，4：探针与工件间的电压，5:新型等离子体探针，6:新型等离子体探针与激光焊接等离子体接触区域，7:高能激光束，8激光焊接等离子体。；
图3是采用本发明激光焊接等离子体温度实时监测方法原理示意图，1:工件，4:探针与工件间的电压，5:新型等离子体探针，7:高能激光束，8:激光焊接等离子体，19:焊缝。
图4是采用本发明激光焊接等离子体温度实时监测方法的装置示意图，1:工件，5:新型等离子体探针，14:工作台，15:焊接夹具，16:探针夹持装置，17:激光头。
图5是采用本发明激光焊接等离子体温度实时监测方法的装置局部放大图，1:工件，5:新型等离子体探针，15:焊接夹具，16:探针夹持装置，17:激光头，18:送水及出水管。
图6是采用本发明激光焊接等离子体温度实时监测方法的装置侧视图，1:工件，5:新型等离子体探针，14:工作台，15:焊接夹具，16:探针夹持装置，17:激光头。
图7是采用本发明激光焊接等离子体温度实时监测方法的装置正视图，14:工作台，15:焊接夹具，16:探针夹持装置，17:激光头。
图8是实施例中所述的焊接参数条件下采集到的激光焊接等离子体电信号及焊缝表面形貌
图9是实施例中所述的焊接参数条件下采集到的激光焊接等离子体电信号所得到的等离子体温度变化图示。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明所述基于等离子体鞘层模型的激光焊接等离子体温度实时监测基本原理介绍如下。本发明所提出的物理模型考虑了激光焊接等离子体与探针之间,及小孔等离子体与小孔固壁之间的等离子体鞘层效应,而且也考虑了等离子体鞘层内部的粒子数密度变化规律。
如图1所示，等离子体8被称为物质的第四态，是由带电粒子(包括电子13(e)、离子11(I+))和各种中性粒子12(N)(包括各种中性分子、原子、活性基团和自由基团等)组成的集合体。等离子体有多种分类方法，按照等离子体所处状态的不同，本文所研究的激光焊接等离子体属于符合局部热力学平衡的低温热等离子体。当一个金属固壁9与高温等离子体8接触时,在固壁与等离子体之间会形成宽度约为几个德拜长度的等离子体鞘层10,在等离子体内部,即x＝0处,等离子体在宏观上保持电中性(ne＝ni＝n0)，离子及电子都保持各自的热速度。在固壁与等离子体的接触区域，由于粒子质量要远大于电子质量，根据热力学规律，质量较小的电子具有的运动速度要远大于离子的运动速度，所以当固壁与等离子体接触时，由于离子和电子的运动速度的差异会导致与固壁发生碰撞的电子流密度远远大于离子流密度，最终导致固壁表面聚集有大量的负电荷。因此将会产生一个负电位(相对于等离子体空间电位而言)。这个负电位对离子具有加速作用，而对于电子具有减速作用。在此负电位的作用下，直到达到固壁表面的离子流密度与电子流密度平衡时，固壁表面的负电位就会保持稳定,称此时的固壁负电位为鞘层电位
Figure BDA0002212020880000041
一般而言，为了得到鞘层电位
Figure BDA0002212020880000042
的解，需要同时对Vlasov方程及Poisson方程求解，由于方程本身的超越特性，给求解方程带来极大的困难，通常只能通过数值求解的方式进行。针对这一问题，本发明在基于等离子体鞘层模型的基础上，忽略了鞘层中粒子之间的碰撞，建立一个简单的解析模型来近似求解固壁鞘层电位
Figure BDA0002212020880000043
为激光焊接过程中等离子体温度的实时监测提供了理论基础。
结合之前对焊接等离子体的研究，可以认为激光焊接等离子体处于局部热平衡状态(local thermal equilibrium(LTE))，说明等离子体内部的粒子服从Maxwell-Boltzmann分布。如图1所示，当一金属固壁与二维的等离子体(半无限大)接触时，固壁鞘层电位为
Figure BDA0002212020880000059
距离固壁约几个德拜长度(Debye lengths)的等离子体空间电位视为0(x＝0处)，在等离子体中(x＝0处)认为离子数密度与电子数密度为n0(ne＝ni＝n0),故在x方向上的的电子流密度可以用公式(1)表示。
Figure BDA0002212020880000051
Figure BDA0002212020880000052
Figure BDA0002212020880000053
Figure BDA0002212020880000054
方程中k,Te me分别是玻尔兹曼常数，电子温度和电子质量。n0是等离子体中的粒子数密度(x<0处)。公式(3)中fe(v,x)表示的是Maxwell速度分布函数，v是电子速度，v0是能克服鞘层电势做功的达到固壁所需的最小速度，可用公式(3)求出。故通过公式(1)(2)(3)，电子流密度可以通过公式(4)表达。另外，鞘层中的粒子数密度ne变化也应该考虑，电子在鞘层中的服从Maxwell-Boltzmann速度分布函数，如公式(5)所示。在X方向上的电子速度与电子能量mv2/2+qeφ(x)(qe是电子电荷)有关。通过公式(5)，电子数密度ne的表达式可以写为公式(6)。
Figure BDA0002212020880000055
Figure BDA0002212020880000056
鞘层中的离子数密度变化与电子数密度变化特征不同，在x＝0处，离子以速度u0进入鞘层，有离子数守恒，n0u0＝ni(x)ui(x)，ui(x)是鞘层中的离子速度。由于在鞘层中，正离子受到鞘层电势的加速作用，ui(x)会增大，故离子数密度ni应该减小。结合公式(7)离子能量守恒，可以得到鞘层中的离子密度ni(x)表达式，如公式(8)。通过Poisson方程，x方向上的电位分布φ(x)如公式(9)和公式(10)所示。
Figure BDA0002212020880000057
Figure BDA0002212020880000061
为了保证鞘层电位φw为负值和φ(x)分布为凸曲线，需要满足ni(x)>ne(x)，即方程(11)和方程(12)。
Figure BDA0002212020880000063
Figure BDA0002212020880000064
当电流密度Je与离子流密度平衡时，可以得到公式(13)，故鞘层电位φw可以表达为公式(14)。
Figure BDA0002212020880000065
Figure BDA0002212020880000066
从鞘层电位φw的表达式可以看出，等离子体温度Te与鞘层电位密切相关，通过测量鞘层电位可以反映等离子体温度。
基于以上的等离子体鞘层模型，为了对激光焊接过程中的等离子体温度进行实时监测，本发明提出利用一外加金属探针对焊接等离子体进行探测。如图2所示。在激光深熔焊接过程中，金属熔化形成熔池2，等离子体8由小孔内喷发而出，当一外加金属探针5与激光焊接等离子体8接触时，由于上述的鞘层效应，会在探针上产生一个负的电位，测量探针与工件间的电压Ud 4，即可获得等离子体鞘层电位φw，进而可反应激光焊接等离子体温度的大小。值得注意的是，在激光深熔焊过程中，等离子体也是存在于小孔中的，故孔内等离子体与小孔壁之间由于鞘层效应而导致对探针电位的影响也是需要考虑的。由于小孔壁上存在着剧烈的熔化蒸发作用，故与小孔壁接触的等离子体温度受到工件内小孔壁的汽化热阱效应(heat sink effect),假设在激光焊接过程中，孔内等离子体接触的小孔壁表面温度为TB(为工件材料的沸点)。故最终金属探针与工件间的电势(或金属探针电位)可用公式(15)表示。
实施例
一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1，将304不锈钢工件，其尺寸在50mm×200mm×8mm，放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；
步骤2，安装金属探针，金属探针通过夹持装置与激光头连接，金属探针轴线方向平行于焊接方向，并通过冷却液进管和冷却液出管冷却；所述金属探针在夹持装置作用下与激光头轴线呈夹角α，所述α为5°，使得探针外径边沿与激光斑点边沿的距离w为1mm，设置此角度的原因是为了防止，激光束直接与探针相接触。所述金属探针边沿距离所述工件上表面距离h为2mm，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极；
所述金属探针为纯铜管状金属探针，所述纯铜管状金属探针的外径为1mm，壁厚为0.21mm，纯铜管状金属探针两端分别连接冷却水进管和冷却水出管；1
步骤3，设置焊接参数，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm,激光光斑为圆形，设置激光离焦量为-1mm。选择氩气为侧吹保护气，其流量设置为20L/min。激光功率设置在1200W保持不变，焊接速度为4mm/s。
步骤4，开始焊接，打开激光器进行平板表面堆焊，并采集激光焊接等离子体电信号。通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接等离子体温度；
Figure BDA0002212020880000071
其中φw为等离子体鞘层电位，Te为等离子体温度，TB为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数。
如图8所示,采集到的电信号处于平稳波动状态。从电信号幅值波动规律可以发现，其幅值在0V时可出现，说明等离子体处于一个剧烈波动的状态。得到的焊缝光滑，无明显表面缺陷。由采集到的等离子体电信号幅值可以得到焊接过程中的等离子体温度波动规律，可以发现，在此焊接条件条件下，等离子体温度约在5000K左右波动。由此可以说明，激光焊接过程中的等离子体温度变化可以由本发明所提出金属探针采集到的电信号反映，这种方法为激光焊接质量在线诊断提供了理论及技术支持。
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)

1.一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将工件放置在工作台上，并用焊接夹具夹紧；
步骤2，安装金属探针，所述金属探针边沿距离激光斑点外延距离w为0～3mm，所述金属探针边沿距离所述工件上表面距离h为1～4mm，且所述金属探针轴线方向平行于焊接方向，所述金属探针通过导线连接至电压采集装置的正极，所述工件通过导线连接至所述电压采集装置的负极；
所述金属探针为纯铜管状金属探针；
步骤3，设置焊接参数，设置激光输出功率，焊接速度，保护气流量；
步骤4，开始焊接，通过所述电压采集装置采集测量所述金属探针与所述工件间的电压，并通过下式进行计算，获得激光焊接等离子体温度；
其中Te为等离子体温度，TB为工件材料的沸点，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，mi为离子质量，e为元电荷常数，φprobe为所述金属探针与所述工件间的电压。
2.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述纯铜管状金属探针的外径为1～2mm，壁厚为0.2～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述纯铜管状金属探针两端分别连接冷却液进管和冷却液出管。
4.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述金属探针通过夹持装置与激光头连接，金属探针轴线方向平行于焊接方向，并通过冷却液进管和冷却液出管冷却；所述金属探针在夹持装置作用下与激光头轴线呈夹角α，所述α范围在0°<α<10°，使得探针外径边沿与激光斑点边沿的距离w在0到3毫米之间，设置此角度的原因是为了防止，激光束直接与探针相接触。
5.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述工件材质为金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述步骤4，在焊接过程中通过冷却液进管向所述金属探针中持续通入冷却液。
7.根据权利要求6所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述冷却液为水。
8.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述保护气为氩气或氦气。
9.根据权利要求1所述的一种激光焊接等离子体温度实时监测方法，其特征在于，所述保护气流量10L/min～30L/min。
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