[发明专利]一种激光焊接等离子体温度实时监测方法

说明书

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。

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E_w＝-(kT/4e)In(m_i/m_e)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：