[发明专利]激光等离子体的无源电检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术，更加具体地说，具体涉及一种检测激光焊过程中激光等离子体性质的方法和装置。

背景技术

激光焊是重要的焊接方法，在激光焊过程中，会产生光致等离子体，亦称激光等离子体，对焊接过程有重要影响。激光等离子体内部会发生金属蒸发，能量的辐射、散射与吸收，对激光产生屏蔽作用，直接影响着焊接过程。本发明的应用目的就是探测激光等离子体，实时检测激光等离子体温度，有助于实施对激光焊过程的质量监控。在利用电探针检测等离子体方面，以Langmuir探针应用最广，这是一种有源探针，适合稳态等离子体的检测。无源电探针可以实时检测激光等离子体温度，已获相关的光电探针发明专利授权(专利号201110360537.5)，发明的光电探针方法验证了实时检测激光等离子体温度的可行性，但其中的电检测方法存在以下不足：

1）激光等离子体电检测依据的是等离子体鞘层理论，即一个冷体探入等离子体后，会因电子与离子不同的运动速度在冷体表面产生等离子体鞘层，使冷体带负电，冷体与等离子体之间的电位差可以反映等离子体温度的大小。原光电探针方法采用钨棒探入激光等离子体检测电信号，如果激光等离子体温度较高或钨棒在等离子体中放置时间较长，钨棒温度升高，达到一定温度（一般1000°K以上，°K表示开尔文温度，以下同）会产生较强的电子发射甚至会熔化，这样等离子体鞘层就失去了建立的条件，影响检测过程。因此，必须保证探入的冷体（钨棒）保持低温。

2）激光等离子云（熔池外激光等离子体）具有一定的波动性，而棒状的探针直径较小探测范围有限，激光等离子云的摇曳波动可能使其探针在某些时刻或条件下探测不到等离子体。为了使检测更可靠，探针要尽量靠近等离子云的中心（激光束的通道），还要防止被激光烧灼，其定位和调整难度很大。

发明内容

本发明针对上述现有技术(专利号201110360537.5)的不足，提出新的装置和方法加以改进，通过水冷方式保证电检测装置处于较低温度，改变原电探针的形状并辅以绝缘层及新的探测方法使电探测更稳定可靠。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

激光等离子体的无源电检测装置，由两段相互平行的平行段和连接所述两段平行段的圆弧段组成，整体以圆弧段为中心对称设置，呈现M型，所述电检测装置的横截面为矩形，且在所述电检测装置的内部设置流道，用于水的流动和循环；所述两端平行段分别与通水管相连；在圆弧段中央内置温度传感器（例如热电偶）检测该处温度，所述温度传感器将采集的温度信号传送给检测控制电路，所述检测控制电路根据采集的温度信号与预设温度要求的比较，控制流量控制阀的开启程度；所述电检测装置上设置有引线，用于进行激光等离子体的电信号检测。

所述电检测装置选择金属材质，优选铜；在所述M型电检测装置的圆弧段中央设置曲率半径为5—10mm，即所述圆弧段的中心选择曲率半径为5—10mm。

在圆弧段中央内置温度传感器，温度传感器位置距离电检测装置的底部1～2mm，嵌入电检测装置中深度3～5mm，内部设置的流道应与温度传感器互不影响。

在所述电检测装置中，通水予以冷却，优选采用流量控制阀和温度传感器相配合的方式，即所述温度传感器将采集的温度信号传送给检测控制电路，所述检测控制电路根据采集的温度信号与预设温度要求的比较，控制流量控制阀的开启程度，以实现循环水流量的变化和冷却效果。在进行使用时，在待焊物件和上述M型电检测装置之间设置陶瓷垫，厚度为1～4mm。

在进行激光等离子体的无源电检测时，按照下述步骤进行：

步骤1，安装电检测装置：使激光作用点位于电检测装置圆弧段的下凹部分内，距离所述圆弧段下凹处的最凹处1～2mm；利用陶瓷垫的厚度调整电检测装置距离工件表面的距离，例如根据需要在1～4mm之间，保持绝缘不致短路；将电检测引线与数据采集卡连接，数据采集卡连接计算机，做好数据采集准备工作

步骤2，根据要求选择激光焊参数，焊接开始后，选择在电检测装置对面侧向吹送保护气体（例如氮气、氦气或者氩气），可用较大气流量，使激光等离子云偏向圆弧段，以使其比电探针检测范围大；这样就将电探针的点检测改为本申请所述装置的面检测。

步骤3，开始信号采集，计算机接收电检测传感器的电压信号，转化储存到计算机中。

在整个测试的过程中，在所述电检测装置中，通水予以冷却。优选采用流量控制阀和温度传感器相配合的方式，控制冷却水流量，以实现电检测装置与激光等离子体接触的检测区域的温度基本恒定，尽量使检测温度不超过800°K。