CN112782078B - 深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测装置及方法，所述观测装置包括复合试件、计算机、CNC工作台、复合试件夹具、L形光管、镀膜镜片、以及设置在复合试件下方的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件；所述L形光管包括呈L形固定连接设置的两根金属圆管以及在其外折角处因斜面切割而形成的镂空孔，所述两根金属圆管分别为竖直的入射管和水平的反射管；所述镀膜镜片设置在所述L形光管的镂空孔位置，且将入射光分为一束透射光和一束反射光，二者均用于为所述图像拍摄部件或光谱信号检测部件提供光源。使用本发明所述装置可以同时精准地检测小孔内的等离子体和小孔形貌。

Description

深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测装置及方法

技术领域

本发明涉及深熔焊接领域，具体涉及一种金属材料深熔焊接小孔形貌及孔内等离子体全方位同步直接观测的装置及方法。

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(薄壁构件及铝、镁合金等轻质材料的焊接)中发挥着越来越重要的作用。

(一)小孔形貌观测技术现状

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时的小孔形貌是完全可行的。采用这种透明试件材料，通过高速摄影方法，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，申请人实验装置进行了改进，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)，聚焦激光直接入射到铝膜上部并沿铝膜运动(GG17与铝膜的结合面与焊接方向平行，且焊接方向处于水平面内)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，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，采用前述的三种实验装置，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。

为了实现小孔的全方位直接观测，申请人进行了一系列的改进。设计了一种复合试件(在上的金属试件和在下的GG17试件)，整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°。将复合试件置于焊接头下方，合理布置观测小孔形貌的图像拍摄部件，如图1所示，实现了对金属材料深熔焊接小孔的全方位直接测量。或者具体见发明专利CN201811336359.0和CN201811336351.4。

(二)等离子体观测技术现状

在深熔焊接(包括激光、电子束等)过程中，小孔形成以后，在高功率密度的聚焦激光或电子束作用下，孔内金属蒸汽发生电离而形成等离子体。等离子体通过反韧致辐射吸收激光能量，继而将吸收的能量通过对流、导热和热辐射的方式传递给工件材料。等离子体对激光的反韧致辐射吸收是小孔效应的另一个重要方面。不同密度、体积和状态的等离子体会对经过的激光束造成不同程度的影响，由于等离子体的出现，使得激光能量存在两种吸收机制，菲涅尔吸收和反韧致辐射吸收。要深入研究等离子体对激光的反韧致辐射吸收，必须掌握激光焊接过程中产生的等离子体的全部信息。激光束作用于加工工件产生的等离子体称作光致等离子体，根据等离子体所在工件的不同位置可分为孔外等离子体和孔内等离子体。孔外等离子体由于便于观测，目前国内外研究较多。而孔内等离子体由于包裹在不透明的金属材料之中，很难直接观测，各国学者一直在寻找其实验观测的途径。Miyamoto等人通过在工件上部按一定角度布置一系列光电二极管的方式来研究小孔内等离子体的辐射光谱。但是，由于激光深熔焊接过程中小孔的弯曲，存在观测死角，故用这种方法很难得到小孔内等离子体辐射光谱的全部信息。张屹等人基于“三明治”方案，采用分光镜直接观测孔内等离子体，并计算了其温度和密度。由于前述“三明治”方案的固有缺陷，其结果也是难以令人信服的。申请人曾提出了一种直接观测孔内等离子体的方法，该方法采用的GG17玻璃为非晶体，其谱线为连续谱线，没有任何可以识别特征谱线，且对铝合金中合金元素的辐射光谱波段没有选择性吸收，透过这种玻璃材料可以清楚地观测到铝合金中的合金元素在激光深熔焊接过程中的特征辐射谱线，因此使用光谱仪透过GG17玻璃观测、分析激光深熔焊接铝合金时的金属等离子体辐射光谱也是完全可行的。该方法是在前述小孔观测装置的基础上，用多通道光谱仪取代高速相机，透过GG17透明玻璃材料从侧面直接检测激光深熔焊接铝合金时的孔内等离子体辐射光谱。但是，该方法只能观测对称平面(即铝合金试件与GG17玻璃试件接触面)内的辐射光谱信息，而不能实现不同深度小孔截面内等离子体辐射光谱全部分布信息的直接观测。要获取小孔内等离子体的全部分布信息，必须做到全方位准确探测小孔内的等离子体光谱。

为了实现全方位准确探测小孔内的等离子体光谱，申请人进行了一系列的改进。设计了一种复合试件(在上的金属试件和在下的GG17试件)，整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°。将复合试件置于焊接头下方，合理布置光谱信号检测部件，如图2所示，实现了全方位准确探测小孔内的等离子体光谱。或者具体见发明专利CN201811336306.9。

综上可以发现：利用现有技术可以实现分别对金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测和金属材料深熔焊接孔内等离子体全方位直接观测。然而，金属材料深熔焊接的小孔形貌与孔内等离子体之间具有某些联系。在利用现有技术观测时，由于不是在同一时间空间进行观测，即使选择同样的工艺参数及时间段分别进行观测，也会因为某些偶然因素的影响，难以得到空间内完全相应的观测信息。

因此，本领域需要一种深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测的装置及方法。

此外，金属材料深熔焊接的小孔形貌及孔内等离子体与孔外等离子体的波动、熔池的波动具有某些联系，而熔池的波动与焊缝的形貌、焊接孔隙有联系，从而对焊接质量有影响。因此，本领域还需要一种深熔焊小孔形貌及孔内外等离子体同步直接观测的装置及方法。

发明内容

因此，本发明首先提供一种深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测装置，所述装置包括复合试件(23)、计算机(5)、CNC工作台(6)、复合试件夹具(7)、L形光管(18)、镀膜镜片(22)、以及设置在复合试件下方的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件；所述复合试件包括在上的金属试件(231)和在下的石英玻璃试件(232)，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与石英玻璃试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和石英玻璃试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述复合试件夹具(7)包括用于与CNC工作台(6)连接的支架(76)和用于夹持和支撑固定复合试件的复合试件支夹部件；所述L形光管(18)包括呈L形固定连接设置的两根金属圆管以及在其外折角处因斜面切割而形成的镂空孔，所述两根金属圆管分别为竖直的入射管和水平的反射管；所述镀膜镜片(22)设置在所述L形光管(18)的镂空孔位置，且所述镀膜镜片(22)将入射光分为一束透射光和一束反射光，所述透射光用于为所述图像拍摄部件或光谱信号检测部件提供光源，所述反射光用于为图像拍摄部件和光谱信号检测部件中的另一个提供光源，所述镀膜镜片分出的透射光和反射光用于使得图像拍摄部件在观测深熔焊接小孔形貌的同时所述光谱信号检测部件能实时检测深熔焊接小孔内的等离子体；所述图像拍摄部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、滤光片和摄像机；所述光谱信号检测部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、光纤固定板和光谱仪；所述计算机(5)与图像拍摄部件中的摄像机以及与光谱信号检测部件中的光谱仪连接，所述计算机(5)还能用于与所述CNC工作台(6)连接。

本发明中，选用石英玻璃代替原来的GG17玻璃，是因为石英玻璃比GG17玻璃更耐热，且石英玻璃的线膨胀系数比GG17玻璃更低。

在一种具体的实施方式中，所述L形光管(18)中的切割斜面呈45°，使得所述镀膜镜片(22)与L形光管(18)的两根金属圆管之间均呈45°。

在一种具体的实施方式中，所述图像拍摄部件的凸透镜和滤光片均设置在L形光管(18)的入射管的正下方或设置在L形光管(18)的反射管的出口处，所述光谱信号检测部件的凸透镜和光纤固定板同样均设置在L形光管(18)的入射管的正下方或设置在L形光管(18)的反射管的出口处。

在一种具体的实施方式中，所述观测装置包括设置在L形光管(18)的反射管的出口处的凸透镜一(20)、滤光片一(19)和摄像机一(12)，所述观测装置还包括设置在L形光管(18)的入射管的正下方的凸透镜二(21)、光纤固定板二(13)和光谱仪二(14)。

在一种具体的实施方式中，所述镀膜镜片(22)为分光片、窄带滤光片和二向分色镜中的任意一种。

在一种具体的实施方式中，所述复合试件夹具(7)的复合试件支夹部件包括含滑槽(711)的滑槽板(71)、滑块(72)、压板(73)、定块(74)、弹簧(75)及若干螺钉，所述滑槽(711)与滑块(72)匹配设置，所述滑槽板(71)包括底板(715)和侧壁板(716)，底板(715)和侧壁板(716)之间形成所述滑槽(711)，在所述底板(715)开设有一条左右方向延伸的试件通槽(712)，用于光线通过而观测所述复合试件上的深熔焊接小孔，在所述底板(715)开还设有两条左右方向延伸的螺栓通槽(713)，所述螺栓通槽(713)分列在所述试件通槽(712)的前后两侧，所述螺栓通槽(713)用于从下往上旋拧螺栓到滑块(72)的竖向螺孔中而用于固定所述滑块(72)的竖向位置，在前后侧壁板(716)上各开设有一条左右方向延伸且用于调整压板左右位置的压板位置调整槽(714)，所述滑块(72)与所述底板(715)配合用于支撑所述复合试件(23)，所述定块(74)和弹簧(75)用于辅助所述滑块(72)调整和固定所述复合试件(23)的左右位置，所述压板(73)设置在所述复合试件(23)的前后两侧，用于竖向压紧和放开所述复合试件(23)。

在一种具体的实施方式中，所述复合试件夹具(7)还包括调整螺钉(77)，所述压板(73)包括用于与所述金属试件(231)的上表面和侧壁直接接触的直角形压紧部(731)、长度方向在复合试件夹具(7)的前后方向延伸的调整通孔(732)以及用于固定调整螺钉(77)的螺纹孔(733)，所述调整螺钉(77)优选为内六角圆柱头螺钉。

在一种具体的实施方式中，所述滑块(72)包括滑块本体和设置在滑块本体上方且用于保护滑块本体免受激光伤害的陶瓷保护盖板。

在一种具体的实施方式中，所述复合试件支夹部件还包括用于设置在所述压板位置调整槽(714)中的蝶形螺母(78)。

在一种具体的实施方式中，所述支架(76)包括用于直接支撑所述复合试件支夹部件的U形水平顶板(761)、竖板(762)以及用于将整个复合试件夹具(7)连接设置在CNC工作台(6)上的底板(763)。

本发明还提供一种深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测方法，包括使用上述观测装置同步直接观测深熔焊小孔形貌及孔内等离子体。

本发明至少具备如下有益效果：

1、本发明的装置中，把L形光管内设置的反射镜改为“镀膜镜片”，具体是先在L形光管的外折角处斜面切割形成镂空孔，再在镂空孔处设置镀膜镜片，使得入射光中有一束光反射，另一束光透射，并相应在这两束光处分别设置图像拍摄部件和光谱信号检测部件，因而使用本发明所述装置可以同时精准地检测小孔内的等离子体和小孔形貌。

2、本发明所述复合试件夹具有效控制了复合试件结合面间的间隙，减少了理论计算时因光学传输而引起的误差。在实际使用中，只需调整复合试件夹具中的两颗内六角圆柱头螺钉，即可实现对复合试件的压紧或释放，可方便地安装和拆卸复合试件。利用该夹具极大地减少了辅助工作的时间，减少了计算误差，为深熔焊接小孔形貌及孔内等离子体的直接观测提供了有利条件。

附图说明

图1为现有技术中深熔焊小孔形貌观测装置。

图2为现有技术中深熔焊小孔内等离子体观测装置。

图3为本发明所述深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测装置结构示意图。

图4为本发明中复合试件夹具结构示意图。

图5为本发明中复合试件夹具中的支架结构示意图。

图6为本发明中复合试件夹具中的滑槽板结构示意图。

图7为本发明中复合试件夹具中的压板结构示意图。

图8为本发明中放置在复合试件夹具中的复合试件的结构和放置方位示意图。

图9为本发明中复合试件中的金属试件示意图。

图10为本发明中复合试件中的石英玻璃试件示意图。

图3中：1能量束，2聚焦透镜，3压缩空气入口，4喷嘴，5计算机，6CNC位移台，7复合试件夹具，8保护气体，12摄像机一，13光纤固定板二，14光谱仪二，18L形光管，19滤光片一，20凸透镜一，21凸透镜二，22镀膜镜片。

具体实施方式

如图4～7所示，该复合试件夹具(7)包括含滑槽(711)的滑槽板(71)、滑块(72)、压板(73)、定块(74)、弹簧(75)及若干螺钉。在夹具中，复合试件左右两端与金属滑块接触。金属滑块上下表面具有螺纹通孔，通过自下而上旋入螺钉，先将不需要接触弹簧的那个金属滑块的位置锁定，另一个金属滑块与滑槽在竖直方向留有少量间隙，使得滑块可在滑槽内滑动，待滑块确定左右位置后也自下而上旋入螺钉将其锁紧。定块与滑块之间具有压缩状态的弹簧，可限制复合试件沿水平方向左右移动。金属试件前后两侧布置具有“7”字形或者直角形缺口的压板，蝶形螺母调至适当位置，旋紧内六角圆柱头螺钉即可限制复合试件沿竖直方向移动，调整螺钉77的底部拧紧在滑槽板(71)的侧壁板(716)的顶面上。本发明所述复合试件夹具有效控制了复合试件结合面间的间隙，减少了理论计算时因光学传输而引起的误差。在实际使用中，只需调整复合试件夹具中的两颗内六角圆柱头螺钉，即可实现对复合试件的压紧或释放，可方便地安装和拆卸复合试件。利用该夹具极大地减少了辅助工作的时间，减少了计算误差，为深熔焊接小孔形貌及孔内等离子体的直接观测提供了有利条件。

如图8～10所示，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的石英玻璃试件。复合试件整体呈长方体状，图8中的复合试件的左右两端用于夹持和设置在所述滑槽(711)和滑块(72)上，所述复合试件的前后两侧各设置有压板73，但压板的主要目的是维持复合试件在竖直方向不移动以及装夹和卸载所述复合试件，复合试件的前后两侧的位置主要由滑块(72)上与复合试件的前后宽度匹配的安装位决定，复合试件的前后两侧的位置一般不需要调整。

本发明中，镀膜镜片的选用包括如下几种：

1.分光片

例如一种宽波段分光片，光谱应用范围为350-1800nm，入射角度为0-45°，可将光分成透过光与反射光两部分。根据需要透过与反射的比例可为10:90，20:80，30:70，40:60，50:50等。在50:50的情况下，拍摄小孔形貌的相机与检测等离子的光谱仪布置没有区分。其余比例时要根据实际情况来设置相机与光谱仪。

2.窄带滤光片

根据需要，窄带滤光片可将感兴趣波长的光滤出，进行光谱分析，其余光照射深熔焊接小孔进行拍照。例如一种窄带滤光片，中心波长为365nm，半宽70nm左右，截止波段200-800nm，波长365nm光左右通过，其余波长的光反射。在激光深熔焊接铝合金试件中，可采用拍摄小孔形貌的相机拍摄反射光，检测等离子的光谱仪检测透射光中铝、镁的离子线。采用其它规格的窄带滤光片时，根据实际情况来确定设置相机与光谱仪。

3.二向分色镜

例如一种反蓝透红绿的二色分色镜，根据实际情况来确定设置相机与光谱仪。

本发明中，所述装置的操作步骤包括：

步骤A、用所述复合试件夹具将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者电子束的焊接头，且激光或电子束的入射方向为竖直向下；复合试件夹具置于CNC位移台上，并设置用于观测小孔形貌的图像拍摄部件，所述图像拍摄部件包括摄像机、凸透镜和滤光片。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截面形状在水平面的投影；复合试件下方设置用于观测小孔内等离子体情况的光谱信号检测部件，且所述光谱信号检测部件包括光纤和光谱仪、凸透镜和光纤固定板。

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。

步骤C，所述CNC位移台的输入端与计算机连接，图像拍摄部件的输出端、光谱检测部件的输出端与计算机相连。

在一种具体的实施方式中，焊接头位置固定，CNC位移台带动复合试件运动，所述图像拍摄部件整体位置固定，以便及时拍摄到结合面上的小孔图像经镀膜镜片反射或透射后在水平面内的投影图像。所述光谱信号检测部件还包括凸透镜和光纤固定板；优选所述光谱信号检测部件整体位置固定，以便及时捕捉到小孔内的等离子体经镀膜镜片透射或反射后的光谱信号。

本发明还具有如下有益效果：

本发明提供的金属材料深熔焊接小孔形貌及孔内等离子体全方位同步直接观测装置可以清晰准确地同步观测真实三维小孔在不同深度处的横截面轮廓及截面内的等离子体辐射光谱信息，不存在观测死角，使得后续重构小孔的准确度更高，更加符合实际小孔形状，结合重构得到的精确三维小孔，可得到真实三维小孔内的全部等离子体辐射光谱信息，给小孔行为的研究以及小孔内能量吸收机制的研究提供准确的参数。

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 (9)

1.一种深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测装置，所述装置包括复合试件(23)、计算机(5)、CNC工作台(6)、复合试件夹具(7)、L形光管(18)、镀膜镜片(22)、以及设置在复合试件下方的至少一个图像拍摄部件和至少一个光谱信号检测部件；所述复合试件包括在上的金属试件(231)和在下的石英玻璃试件(232)，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与石英玻璃试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和石英玻璃试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述复合试件夹具(7)包括用于与CNC工作台(6)连接的支架(76)和用于夹持和支撑固定复合试件的复合试件支夹部件；所述L形光管(18)包括呈L形固定连接设置的两根金属圆管以及在其外折角处因斜面切割而形成的镂空孔，所述两根金属圆管分别为竖直的入射管和水平的反射管；所述镀膜镜片(22)设置在所述L形光管(18)的镂空孔位置，且所述镀膜镜片(22)将入射光分为一束透射光和一束反射光，所述透射光用于为所述图像拍摄部件或光谱信号检测部件提供光源，所述反射光用于为图像拍摄部件和光谱信号检测部件中的另一个提供光源，所述镀膜镜片分出的透射光和反射光用于使得图像拍摄部件在观测深熔焊接小孔形貌的同时所述光谱信号检测部件能实时检测深熔焊接小孔内的等离子体；所述图像拍摄部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、滤光片和摄像机；所述光谱信号检测部件从L形光管(18)的光线出口处依次包括凸透镜、光纤固定板和光谱仪；所述计算机(5)与图像拍摄部件中的摄像机以及与光谱信号检测部件中的光谱仪连接，所述计算机(5)还能用于与所述CNC工作台(6)连接；所述复合试件夹具(7)的复合试件支夹部件包括含滑槽(711)的滑槽板(71)、滑块(72)、压板(73)、定块(74)、弹簧(75)及若干螺钉，所述滑槽(711)与滑块(72)匹配设置，所述滑槽板(71)包括底板(715)和侧壁板(716)，底板(715)和侧壁板(716)之间形成所述滑槽(711)，在所述底板(715)开设有一条左右方向延伸的试件通槽(712)，用于光线通过而观测所述复合试件上的深熔焊接小孔，在所述底板(715)还开 设有两条左右方向延伸的螺栓通槽(713)，所述螺栓通槽(713)分列在所述试件通槽(712)的前后两侧，所述螺栓通槽(713)用于从下往上旋拧螺栓到滑块(72)的竖向螺孔中而用于固定所述滑块(72)的竖向位置，在前后侧壁板(716)上各开设有一条左右方向延伸且用于调整压板左右位置的压板位置调整槽(714)，所述滑块(72)与所述底板(715)配合用于支撑所述复合试件(23)，所述定块(74)和弹簧(75)用于辅助所述滑块(72)调整和固定所述复合试件(23)的左右位置，所述压板(73)设置在所述复合试件(23)的前后两侧，用于竖向压紧和放开所述复合试件(23)。

2.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，所述L形光管(18)中的切割斜面呈45°，使得所述镀膜镜片(22)与L形光管(18)的两根金属圆管之间均呈45°。

3.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，所述图像拍摄部件的凸透镜和滤光片均设置在L形光管(18)的入射管的正下方或设置在L形光管(18)的反射管的出口处，所述光谱信号检测部件的凸透镜和光纤固定板同样均设置在L形光管(18)的入射管的正下方或设置在L形光管(18)的反射管的出口处。

4.根据权利要求3所述的观测装置，其特征在于，所述观测装置包括设置在L形光管(18)的反射管的出口处的凸透镜一(20)、滤光片一(19)和摄像机一(12)，所述观测装置还包括设置在L形光管(18)的入射管的正下方的凸透镜二(21)、光纤固定板二(13)和光谱仪二(14)。

5.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，所述镀膜镜片(22)为分光片、窄带滤光片和二向分色镜中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，所述复合试件夹具(7)还包括调整螺钉(77)，所述压板(73)包括用于与所述金属试件(231)的上表面和侧壁直接接触的直角形压紧部(731)、长度方向在复合试件夹具(7)的前后方向延伸的调整通孔(732)以及用于固定调整螺钉(77)的螺纹孔(733)，所述调整螺钉(77)为内六角圆柱头螺钉。

7.根据权利要求6所述的观测装置，其特征在于，所述滑块(72)包括滑块本体和设置在滑块本体上方且用于保护滑块本体免受激光伤害的陶瓷保护盖板；所述复合试件支夹部件还包括用于设置在所述压板位置调整槽(714)中的蝶形螺母(78)。

8.根据权利要求1所述的观测装置，其特征在于，所述支架(76)包括用于直接支撑所述复合试件支夹部件的U形水平顶板(761)、竖板(762)以及用于将整个复合试件夹具(7)连接设置在CNC工作台(6)上的底板(763)。

9.一种深熔焊小孔形貌及孔内等离子体同步直接观测方法，包括使用如权利要求1～8中任意一项所述观测装置同步直接观测深熔焊小孔形貌及孔内等离子体。

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