CN112620938A - 一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置及方法，属于超快激光打孔与准连续激光焊接方法的技术领域，首先将激光加工部件安装到专用工作台上，把需要激光打孔的部位放置于取样容器内，并实现界面密封；之后对取样容器抽真空，待真空达到10^‑3Pa后关闭取样阀门，通过皮秒激光器在指定部位加工贯穿取样管壁厚的微孔；之后通过微孔通道，将产品内部的气氛缓慢释放于取样容器内；待产品内部气压与取样容器的气压平衡后，将焊封激光头移动到微孔处，通过长脉冲激光焊接方式对微孔进行焊封，以满足狭小空间内取样管的激光原位近无损打孔以及焊封，对密封容器内部气氛进行近无损取样且不影响密封容器产品的使用性能。

Description

一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置及方法

技术领域

本发明属于超快激光打孔与准连续激光焊接方法的技术领域，具体而言，涉及一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置及方法。

背景技术

近几年来，激光技术获得了飞速发展，在工业部门获得越来越广泛的应用，并发展出超快、准连续及连续激光等输出模式。超快激光主要用于微纳加工及精密钻孔等，由于超快激光具有短脉冲、高峰值功率及高重复频率等特点，具有加工精度高、热影响区极小以及适用于多种材料加工的特点，是激光加工研究的热点之一。其中，准连续及连续激光具有输出时间长、平均功率高等特点，在焊接领域应用较为广泛，所获得焊缝具有深宽比大、焊接变形小及焊缝综合性能优良等优势，上述激光打孔及焊封技术已在电子、汽车、航空航天领域获得应用。

在一些特定的工程领域，出现了采用超快激光进行近无损微纳打孔取样分析，然后对微孔进行原位激光封孔焊接的应用需求，上述超快激光打孔及准连续激光焊接单项技术均不足以解决微孔加工-取样-焊封这一复杂需求，因此，缺少一种既能实现精密微孔加工，又能实现焊封要求的一体化技术，尤其是在狭小真空环境空间内实现小管径部件的加工，还面临视觉系统照明光源难以进入狭小空间以及小直径管径(较大曲率)对照明光源的散射导致观察效果不佳等一系列技术问题。因此，建立一套满足狭小空间内小管激光原位近无损打孔、焊封技术，以满足这一工程需求就显得尤为重要。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置及方法以达到满足狭小空间内小管激光原位近无损打孔以及焊封，对密封容器内部气氛进行近无损取样且不影响密封容器产品使用性能的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置，该装置包括：

内部中空且密封设置的取样容器，所述取样容器设有至少一透光件，取样容器的一侧设有插入其内部的取样管，且取样管的插入部分与透光件正对对应。

与取样容器内部连通的取样分析系统和真空系统；

打孔激光器和焊封激光器，所述打孔激光器和焊封激光器通过透光件分别对取样管进行打孔和焊封。

进一步地，所述取样容器包括：

容器筒体，所述容器筒体的侧壁设有与取样管密封配合的插入孔；

与容器筒体相适配的容器盖体，所述容器筒体与容器盖体之间密封装配有所述透光件，且透光件设为光学玻璃。

进一步地，所述装置还包括：

主控平台，所述主控平台分别与打孔激光器、焊封激光器和真空系统通信连接，以便用户操控激光进行微孔加工、内部气氛取样以及焊封整个流程。

进一步地，所述取样分析系统包括：与取样容器内部连通的取样管路，所述取样管路上设有取样阀门，以实现对取样容器的内部气氛取样；

所述真空系统包括：与取样容器内部连通的真空管路，所述真空管路上设有真空阀门，以实现对取样容器的内部抽为低真空状态。

进一步地，所述打孔激光器设为皮秒激光器，且皮秒激光器的打孔激光头通过所述透光件对取样管打孔，激光打孔加工对取样管其余部位几乎没有损伤；所述焊封激光器设为YAG激光器，且YAG激光器的焊封激光头通过所述透光件对取样管的微孔焊封，其焊缝力学性能好，热影响区小，不会对所涉及的取样管带来损伤。

进一步地，所述装置还包括：

工作台，所述工作台上设有T型台面；

设于T型台面上的固定工装，通过固定工装将取样容器和带有取样管的产品固定安装于T型台面上；通过对取样容器和带有取样管的产品进行稳定装配，有利于加工精度，确保打孔和焊封的高效完成。

进一步地，所述装置还包括：龙门架，所述龙门架上设有所述打孔激光头和焊封激光头，并通过龙门架调整打孔激光头或焊封激光头的位置以对准所述透光件，以通过龙门结构实现加工位置的有效、准确调节。

在本发明中还提供了一种小管原位激光打孔取样与焊封的方法，该方法应用于上述所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，该方法包括：

S1：对取样管的外壁与取样容器的内壁进行去油处理；

S2：将取样管插入取样容器内且取样管与取样容器的装配处密封；

S3：启动真空系统，将取样容器内的气体抽出并使取样容器内处于低真空状态；

S4：关闭真空系统，通过打孔激光器透过透光件作用于取样管，并在取样管的一侧形成贯穿微孔；

S5：启动取样分析系统，并对取样管的内部气氛与取样容器达到平衡后的气氛取样；

S6：关闭取样分析系统，通过焊封激光器透过透光件作用于取样管上的微孔，并对微孔进行焊封。

进一步地，所述取样管的加工位置到透光件的下端面之间的距离选择为30mm～50mm；一方面，能够满足在加工过程视觉系统的成像清晰，另一方面，加工激光能量又不会损伤光学玻璃。

进一步地，在步骤S4中，所述打孔激光器中所采用的3D振镜的透镜焦距为F100，波长为350nm，功率为10W～12W；且打孔激光器的切孔方式为螺旋线，螺旋线间距选择5um，直径0.09mm，加工数目500～600；采用超快激光的高峰值功率作用于不锈钢或其它金属材料的取样管表面，通过断键作用使加工材料气化或离子化实现对金属材料的去除，在加工微孔过程中，被去除的材料极少，微孔的入口孔径为0.15mm，出口孔径为0.08mm，不会使取样管内部气氛发生改变，激光对取样管其余部位几乎没有损伤。

进一步地，在步骤S6中，焊封激光器的激光焊接头焦距为F210mm，波长为1064nm，毫秒脉冲激光功率选择1500W～1800W，波形为矩形波，脉冲长度为2.5ms～3.5ms，采用波长1064nm长脉冲激光对微孔进行焊封，所得焊缝的深宽比大，焊缝力学性能好，热影响区小，经过激光微孔加工-内部气氛取样-焊封这一复杂过程不会对所涉及的产品带来损伤。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所提供的小管原位激光打孔取样与焊封的装置及方法，在加工微孔的过程中，被去除的微孔材料极少，激光加工微孔的入口孔径为0.15mm，出口孔径为0.08mm，不会使取样产品内部气氛发生改变，激光对小管其余部位几乎没有损伤，且采用长脉冲激光对微孔进行焊封，所获得焊缝的深宽比大，焊缝力学性能好，热影响区小，不影响相关产品的后续使用，进而既能实现精密微孔加工，又能实现焊封要求的一体化设计，以便实现激光打孔、取样及焊封的技术集成，激光微孔加工-内部气氛取样-焊封这一复杂过程不会对所涉及的产品带来损伤，保障了功能产品的继续可靠服役。

附图说明

图1是本发明所提供的小管原位激光打孔取样与焊封的装置整体系统结构示意图；

附图中标注如下：

1-产品、11-取样管、2-取样容器、21-光学玻璃、22-容器筒体、23-插入孔、3-固定工装，4-工作台、41-T型台面、42-龙门架、5-皮秒激光器、51-打孔激光头、6-YAG激光器、61-焊封激光头、7-取样分析系统、8-真空系统、81-真空阀门、82-取样阀门、9-主控平台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图1所示，在本实施例中具体提供了一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置，旨在通过该装置能够实现激光打孔、取样及焊封的技术集成，该装置包括：

①取样容器

取样容器2的内部中空且内部为密封内腔，在本实施例中，取样容器2包括：容器筒体22、与该容器筒体22相适配的容器盖体，在所述容器筒体22的侧壁设有与取样管11密封配合的插入孔23，当取样管11插入至插入孔23时，取样管11与插入孔23的孔壁之间应当具有良好的密封性，且在容器筒体22的侧壁上设有与插入孔23相对的容纳腔，以通过容纳腔对取样管11的顶端部进行收纳，并确保取样管11能够沿着容器筒体22的径向方向布置在容器筒体22的内部，同时，也便于在取样管11的侧面上进行打孔或焊封。在所述容器筒体22与容器盖体之间密封装配有光学玻璃21，且光学玻璃21位于容器筒体22的顶部，并应当确保取样管11的插入部分与光学玻璃21正对对应，进而保证后期的激光打孔和激光焊封能够正常进行，优选的，光学玻璃21采用透光玻璃，该透光玻璃能同时适应波长为350nm及1064nm的激光通过，透光玻璃的厚度为5mm，透光效率大于98％。

②工作台

在工作台4上设有T型台面41，在T型台面41上设置有固定工装3，通过固定工装3将取样容器2和带有取样管11的产品1固定安装于T型台面41上，以确保产品1的取样管11能够对应插入至取样容器2的插入孔23内。

在实际使用中，T型台面41包括多个T型槽，且将取样容器2和带有取样管11的产品1布置在适当的位置上后，通过在对应的各个T型槽处设置螺钉，通过螺钉将将取样容器2及需要取样的产品1固定在T型台面41的T型槽内。

在工作台4上还设有龙门架42，通过龙门架42配合打孔激光器和焊封激光器的激光焊接工作。

③取样分析系统和真空系统

(a)取样分析系统7包括：与取样容器2内部连通的取样管路，所述取样管路上设有取样阀门82，当取样分析系统7启动后，将取样阀门82打开，通过取样管路将取样容器2中取样管11内部所释放的气氛进行取样，并通过取样分析系统7对取样的气氛进行分析，以满足工程需要。

(b)真空系统8包括：与取样容器2内部连通的真空管路，所述真空管路上设有真空阀门81，当真空管系统启动后，将真空阀门81打开，通过真空管路将取样容器2内部的气氛抽出，使取样容器2内处于低真空状态。

在实际应用中，通过同一管路连通至取样容器2内部，且该管路的端部分出取样管路和真空管路，并分别在取样管路和真空管路上设置取样阀门82和真空阀门81。

④激光器部分

激光器部分包括打孔激光器和焊封激光器，总体上讲，所述打孔激光器和焊封激光器通过光学玻璃21分别对取样管11的一侧进行打孔和焊封。

在实际应用中，打孔激光器设为皮秒激光器5，且皮秒激光器5的打孔激光头51通过光学玻璃21对取样管11打孔；打孔激光头51通过3D振镜输出的微孔加工激光束，微孔加工激光束透过光学玻璃21作用于取样管11顶端，在取样管11一侧形成贯穿微孔。透过在取样管11上加工形成的微孔通道，使取样管11内部的气氛与取样容器2达到平衡，进而实现对产品1内部气氛的取样。之所以选择皮秒激光器5，其超快激光的高峰值功率作用于不锈钢或其它金属材料的取样管11表面，通过断键作用使加工材料气化或离子化以实现对金属材料的去除，在加工微孔过程中，被去除的材料极少，微孔的入口孔径为0.15mm，出口孔径为0.08mm，不会使取样产品1内部气氛发生改变，激光对取样管11其余部位几乎没有损伤。

在实际应用中，焊封激光器设为YAG激光器6，且YAG激光器6的焊封激光头61通过光学玻璃21对取样管11的微孔焊封；将焊封激光头61的十字叉丝中心对准取样管11上的微孔，焊封激光头61通过一束YAG激光对取样管11上的微孔进行焊封，取样管11恢复到原有状态。采用YAG激光器6对微孔进行焊封，所得焊缝的深宽比大，焊缝力学性能好，热影响区小，激光微孔加工-内部气氛取样-焊封这一复杂过程不会对所涉及的产品1带来损伤。

在实际应用时，将打孔激光头51和焊封激光头61均安装在龙门架42上，在需要打孔时，则通过龙门架42调整打孔激光头51对准光学玻璃21，以在取样管11一侧的适当位置处打孔；在需要焊封时，则通过龙门架42调整焊封激光头61对准光学玻璃21，以对取样管11上已打微孔进行焊封。

⑤控制部分

控制部分主要包括主控平台9，主控平台9应当包括：操作界面和监视器，所述监视器安装在适当位置，以确保监视器能够通过光学玻璃21对取样容器2的内部情况进行清晰成像，进而为打孔激光头51和焊封激光头61的调节提供位置坐标；所述操作界面则是用于用户操作所需。通过主控平台9进行成像定位后，通过激光器加工的控制逻辑属于现有技术，此处不再赘述。

将所述主控平台9分别与打孔激光器、焊封激光器和真空系统8通信连接，其中，真空系统8的真空阀门81与主控平台9电连接，以通过主控平台9的控制且能够在用户的操控下，对真空阀门81作开启或关闭，而取样分析系统7的取样阀门82通过手动开启或关闭。

实施例2

在本实施例中还提供了一种小管原位激光打孔取样与焊封的方法，该方法应用于上述实施例1中所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，在本实施例中，取样管11的规格为Φ3mmx1mm，其材料为奥氏体不锈钢，该方法包括：

S1：对取样管11的外壁与取样容器2的内壁进行去油处理，在本实施例中，丙(丁)酮对金属取样管11的外壁与取样容器2的内壁进行去油处理，然后用酒精进行擦拭去除表面水分，热风烘干；

S2：将取样管11插入取样容器2管体内且取样管11与取样容器2的装配处密封，并通过固定工装3将带取样管11的产品1和取样容器2固定在工作台4上；其中，插入位置的要求为：取样管11的加工位置到光学玻璃21的下端面之间的距离选择为30mm～50mm，一方面，能够满足在加工过程监视器的成像清晰，另一方面，加工激光能量又不会损伤光学玻璃21。所述光学玻璃21选为透光玻璃，能同时适应波长350nm及1064nm激光通过，透光玻璃厚度为5mm，透光效率大于98％。

S3：启动真空系统8，通过主控平台9将真空阀门81打开且此时取样阀门82处于关闭状态，将取样容器2内的气体抽出并使取样容器2内处于低真空状态；

S4：关闭真空系统8，通过主控平台9将真空阀门81关闭并执行激光打孔程序，通过打孔激光器透过光学玻璃21作用于取样管11的顶端侧面，在取样管11的一侧形成贯穿微孔；所述打孔激光器的加工参数为：所采用的3D振镜的透镜焦距为F100，波长为350nm，功率为10W～12W；且打孔激光器的切孔方式为螺旋线，螺旋线间距选择5um，直径0.09mm，加工数目500～550；

S5：通过在取样管11上加工形成的微孔通道，待取样管11的内部气氛气压与取样容器2的气压达到平衡(一般为等待一段时间)，启动取样分析系统7，手动将取样阀门82打开且此时真空阀门81维持关闭的状态，取样分析系统7工作，以对取样管11的内部气氛与取样容器2达到气压平衡后的气氛进行取样；

S6：关闭取样分析系统7并移开微孔激光加工的打孔激光头51，由监视器对微孔进行清晰成像，通过龙门架42调动焊封激光头61，并将焊封激光头61的十字叉丝中心对准取样管11上微孔，并通过一束YAG激光对取样管11上的微孔进行焊封，取样产品1恢复到原有状态。焊封激光器的激光焊接头加工参数为：焦距为F210mm，波长为1064nm，毫秒脉冲激光功率选择1500W～1800W，波形为矩形波，脉冲长度为2.5ms～3ms。

实施例3

在本实施例中还提供了另一种小管原位激光打孔取样与焊封的方法，该方法应用于上述实施例1中所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，在本实施例中，取样管11的规格为Φ4mmx1.2mm，材料为奥氏体不锈钢，该方法包括：

S1：对取样管11的外壁与取样容器2的内壁进行去油处理，在本实施例中，丙(丁)酮对金属取样管11的外壁与取样容器2的内壁进行去油处理，然后用酒精进行擦拭去除表面水分，热风烘干；

S2：将取样管11插入取样容器2管体内且取样管11与取样容器2的装配处密封，并通过固定工装3将带取样管11的产品1和取样容器2固定在工作台4上；其中，插入位置的要求为：取样管11的加工位置到光学玻璃21的下端面之间的距离选择为30mm～50mm，一方面，能够满足在加工过程监视器的成像清晰，另一方面，加工激光能量又不会损伤光学玻璃21。所述光学玻璃21选为透光玻璃，能同时适应波长350nm及1064nm激光通过，透光玻璃厚度为5mm，透光效率大于98％。

S3：启动真空系统8，通过主控平台9将真空阀门81打开且此时取样阀门82处于关闭状态，将取样容器2内的气体抽出并使取样容器2内处于低真空状态；

S4：关闭真空系统8，通过主控平台9将真空阀门81关闭并执行激光打孔程序，通过打孔激光器透过光学玻璃21作用于取样管11的顶端侧面，在取样管11的一侧形成贯穿微孔；所述打孔激光器的加工参数为：所采用的3D振镜的透镜焦距为F100，波长为350nm，功率为10W～12W；且打孔激光器的切孔方式为螺旋线，螺旋线间距选择5um，直径0.09mm，加工数目550～600；

S5：通过在取样管11上加工形成的微孔通道，使取样管11的内部气氛与取样容器2的气压达到气压平衡(一般为等待一段时间)后，启动取样分析系统7，手动将取样阀门82打开且此时真空阀门81维持关闭的状态，取样分析系统7工作，以对取样管11的内部气氛与取样容器2达到气压平衡后的气氛进行取样；

S6：关闭取样分析系统7并移开微孔激光加工的打孔激光头51，由监视器对微孔进行清晰成像，通过龙门架42调动焊封激光头61，并将焊封激光头61的十字叉丝中心对准取样管11上微孔，并通过一束YAG激光对取样管11上的微孔进行焊封，取样产品1恢复到原有状态。焊封激光器的激光焊接头加工参数为：焦距为F210mm，波长为1064nm，毫秒脉冲激光功率选择1500W～1800W，波形为矩形波，脉冲长度为3.0ms～3.5ms。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，该装置包括：

内部中空且密封设置的取样容器，所述取样容器设有至少一透光件，取样容器的一侧设有插入其内部的取样管，且取样管的插入部分与透光件正对对应。

与取样容器内部连通的取样分析系统和真空系统；

打孔激光器和焊封激光器，所述打孔激光器和焊封激光器通过透光件分别对取样管进行打孔和焊封。

2.根据权利要求1所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，所述取样容器包括：

容器筒体，所述容器筒体的侧壁设有与取样管密封配合的插入孔；

与容器筒体相适配的容器盖体，所述容器筒体与容器盖体之间密封装配有所述透光件，且透光件设为光学玻璃。

3.根据权利要求1所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，所述装置还包括：

主控平台，所述主控平台分别与打孔激光器、焊封激光器和真空系统通信连接。

4.根据权利要求1所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，所述取样分析系统包括：与取样容器内部连通的取样管路，所述取样管路上设有取样阀门；

所述真空系统包括：与取样容器内部连通的真空管路，所述真空管路上设有真空阀门。

5.根据权利要求1所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，所述打孔激光器设为皮秒激光器，且皮秒激光器的打孔激光头通过透光件对取样管打孔；所述焊封激光器设为YAG激光器，且YAG激光器的焊封激光头通过透光件对取样管的微孔焊封。

6.根据权利要求1所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，所述装置还包括：

工作台，所述工作台上设有T型台面；

设于T型台面上的固定工装，通过固定工装将取样容器和带有取样管的产品固定安装于T型台面上。

7.根据权利要求5所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，其特征在于，所述装置还包括：龙门架，所述龙门架上设有所述打孔激光头和焊封激光头，并通过龙门架调整打孔激光头或焊封激光头的位置以对准所述透光件。

8.一种小管原位激光打孔取样与焊封的方法，该方法应用于如权利要求1-7任意一项所述的小管原位激光打孔取样与焊封的装置，该方法包括：

S1：对取样管的外壁与取样容器的内壁进行去油处理；

S2：将取样管插入取样容器内且取样管与取样容器的装配处密封；

S3：启动真空系统，将取样容器内的气体抽出并使取样容器内处于低真空状态；

S4：关闭真空系统，通过打孔激光器透过透光件作用于取样管，并在取样管的一侧形成贯穿微孔；

S5：启动取样分析系统，并对取样管的内部气氛与取样容器达到平衡后的气氛取样；

S6：关闭取样分析系统，通过焊封激光器透过透光件作用于取样管上的微孔，并对微孔进行焊封。

9.根据权利要求8所述的小管原位激光打孔取样与焊封的方法，其特征在于，所述取样管的加工位置到透光件的下端面之间的距离选择为30mm～50mm。

10.根据权利要求8所述的小管原位激光打孔取样与焊封的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述打孔激光器中所采用的3D振镜的透镜焦距为F100，波长为350nm，功率为10W～12W；且打孔激光器的切孔方式为螺旋线，螺旋线间距选择5um，直径0.09mm，加工数目500～600；

在步骤S6中，焊封激光器的激光焊接头焦距为F210mm，波长为1064nm，毫秒脉冲激光功率选择1500W～1800W，波形为矩形波，脉冲长度为2.5ms～3.5ms。

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