一种模拟厚板窄间隙激光填丝焊接并实时监测的装置的制作方法

本实用新型涉及一种模拟厚板窄间隙激光填丝焊接并实时监测的装置，属于激光加工、焊接技术领域。

背景技术：

激光自熔焊接技术是一种先进的高能束焊接方法，具有焊接热输入小、焊接速度快、焊缝变形小等突出优点，目前已广泛应用于航空航天、能源、轨道交通等制造行业。但是针对一些特种装备，如国际热核聚变实验堆计划ITER的巨型真空室大厚板结构(板厚为60mm的不锈钢)、军用相控阵雷达基板(厚度大于70mm的铝合金)等，常规的激光自熔焊很难完成相关焊接工作。原因在于激光自熔焊存在的主要问题是焊接气孔，并且随着板厚的增加气孔的倾向越大，其气孔倾向甚至大于电弧焊和电子束焊。

窄间隙激光填丝焊作为激光焊的一种方法，保留了激光焊能量高度集中、接头热影响区窄等特点，同时可通过填充焊丝对焊缝冶金成分进行调整，特别适用于异种材料、高合金钢、高强铝合金材料以及高脆性和难焊金属材料的焊接。相比激光自熔焊，窄间隙激光填丝焊可利用安全成熟的万瓦级、千瓦级功率的激光器来实现大厚板的焊接。然而激光填丝焊中焊丝的引入，比激光自熔焊增加了熔滴过渡的过程，故其焊接过程机理更加复杂。因此需要对窄间隙激光填丝焊接过程特征进行研究并通过实验优化激光填丝焊参数。

而且，已有的厚板的窄间隙激光填丝焊接技术，由于激光光束发散角的存在，易出现底部未熔合的缺陷。为了避免底部未熔合缺陷，间隙宽度须足够大保证光束不被坡口上端表面或侧壁阻挡而作用于坡口底部，但当间隙较大时，由于激光能量高度集中，激光焊的熔宽有限，又常出现侧壁未熔合缺陷。这种光的可达性和侧壁未熔合问题的矛盾限制了窄间隙激光焊可焊板厚的范围。在已有的窄间隙激光填丝焊接研究中，多采用聚焦光斑并配合多光斑组合或光束在间隙中摆动的方式完成焊接，通过多光斑组合及光束的摆动增加熔宽来解决侧壁未熔合缺陷。由于采用聚焦光斑在间隙中的适应性较差，导致焊接间隙较宽，虽然可通过以上方式解决，但该方法操作难度较大，对于不同的材料和厚度，需要通过大量试验优化焊接参数，这就需要深入了解窄间隙激光填丝焊接过程特征，并通过试验调整焊接参数提高焊接质量。

目前，常用的焊接过程监测手段包括高速摄像机(采集实时动态图像)和光谱仪(采集实时光谱信息)。但是由于窄间隙激光填丝焊的接头板厚较大、间隙较窄，常规的高速摄像等手段会受到窄间隙试板的阻挡，因此要观察其焊接过程，一般采用以下几种方法：

①通过坡口观察激光填丝焊在焊接行走方向上的焊接情况。但是这种情况下激光会遮挡住熔滴，无法准确看到熔滴过渡和熔池流动的情况。另外，该方法也不适用于焊接过程的光谱分析。

②用平板堆焊的方法观察激光填丝焊的侧壁焊接情况。该方法虽可以观察到激光填丝焊侧壁的熔滴过渡，也适用于焊接过程的光谱分析，但是该方法未考虑坡口反射激光对熔滴过渡的影响，并不能反映窄间隙激光填丝焊的“原位”焊接情况。

上述不足阻碍了人们深入了解窄间隙激光填丝焊接过程特征及稳定性，也影响了工程中对激光填丝焊参数的优化。因此，亟需一种可模拟窄间隙激光填丝焊的焊接过程并进行实时焊缝侧壁“准原位”监测装置。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种模拟厚板窄间隙激光填丝焊接过程及实时监测的装置。该装置可以模拟窄间隙激光填丝焊接过程，并对该过程进行实时监测。且该装置结构简单，操作方便，适合于在实验室、工程实际中大量应用。

本实用新型实现其发明目的所采取的技术方案是：一种模拟厚板窄间隙激光填丝焊接并实时监测的装置，包括焊接模拟部、实时监测部和数据处理部，其结构特点是：

所述焊接模拟部包括装配夹紧的金属试板和GG17玻璃试板；用于进行激光填丝焊的激光束；用于输送焊接保护气的窄间隙送气管；用于输送焊丝的窄间隙专用送丝枪和焊丝；所述金属试板和GG17玻璃试板接触处开设有模拟实际焊接接头的窄间隙坡口；

所述实时监测部包括布置在GG17玻璃试板一侧正对焊接区域的高速摄像机、光纤探头和激光辅助光源，所述光纤探头与光谱仪连接；

所述光谱仪和高速摄像机的输出端均与数据处理部的输入端口连接。

本实用新型的使用方法是：开启激光器引入激光束后可模拟窄间隙内部的激光填丝焊接过程。在焊接过程中，用激光辅助光源为焊接区域提供激光照明，光纤探头和高速摄像机对准焊接区域进行焊接区域监测，采集窄间隙激光填丝焊坡口内部的焊接区域实时图像及相关光谱信息，具体采集方式是：光纤探头采集焊接区域的光谱信息并输到光谱仪进行光谱信息分析；光谱仪将相关光谱数据传输到数据处理部；高速摄像机采集焊接区域的图片信息并传输到数据处理部；通过数据处理部的数据运算处理，即可得到窄间隙激光填丝焊坡口内部的焊接区域实时图像及相关光谱信息。

焊接区域监测包括熔池流动监测、等离子体监测和熔滴过渡监测；

所述熔池流动监测的具体做法是：用激光辅助光源为焊接熔池提供激光照明；光纤探头和高速摄像机对准焊接熔池；光纤探头采集焊接熔池的光谱信息并输到光谱仪进行光谱信息分析；光谱仪将相关光谱数据传输到数据处理部；高速摄像机采集焊接熔池的图片信息并传输到数据处理部；通过数据处理部的数据运算处理，即可得到窄间隙激光填丝焊坡口内部的焊接熔池流动实时图像及光谱信息。通过监测熔池流动，可以明确激光填丝焊中熔池中的液态金属在焊接过程中的流动行为，同时也可以用于观察熔滴进入熔池后对熔池流动的影响。

所述等离子体监测的具体做法是：用激光辅助光源为焊接熔池上方区域提供激光照明；光纤探头和高速摄像机对准焊接熔池上方区域；光纤探头采集焊接熔池上方等离子体的光谱信息并传输到光谱仪进行光谱信息分析；光谱仪将相关光谱数据传输到数据处理部，通过数据处理部的数据运算处理，即可得到窄间隙激光填丝焊坡口内部的等离子体光谱信息。金属在激光的作用下将发生蒸发、电离形成等离子体。等离子体会对激光产生反射、散射、吸收和负透镜效益，在不同程度上影响到焊缝的质量，通过观测等离子体信号可间接分析焊缝质量。

所述熔滴过渡监测的具体做法是：用激光辅助光源为焊接熔池上方区域提供激光照明；高速摄像机采集焊接熔池上方熔滴过渡的图片信息并传输到数据处理部，通过数据处理部的数据运算处理，即可得到窄间隙激光填丝焊坡口内部的熔滴过渡图像。熔滴过渡监测作用：熔滴过渡是激光填丝焊区别于激光自熔焊的重要特征。通过监测熔滴过渡，一方面可以了解焊丝熔化进入熔池的方式及其稳定性，另一方面也可以观察到激光与焊丝、熔滴之间的相互作用。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、通过GG17玻璃模拟窄间隙激光填丝焊试板，能够模拟实时焊接过程，避免了常规金属试板对窄间隙内部焊接过程的阻挡，从而可以使用光纤探头、光谱仪和高速摄像机直接观察到窄间隙激光填丝焊的“原位”实时情况，达到实时、原位观察的效果，利于发现焊接过程中的异常情况，特别适合深入了解窄间隙激光填丝焊接过程(熔滴过渡、熔池流动，等离子体变化等)及进一步优化焊接工艺参数。

二、激光辅助光源可以为高速摄像获取清晰的焊接过程影像提供光源，高速摄像机可采集实时的熔池流动和熔滴过渡动态图像，光纤探头可采集实时等离子体新信号等光谱信息，光谱仪和高速摄像机实时将采集到的光谱信息和图像传输给数据处理部，从而分析焊接和焊缝质量，实时调整优化焊接工艺参数。

三、该装置可在大量焊接前进行试验，了解窄间隙激光填丝焊接过程特征及稳定性，优化焊接工艺，节约了焊接成本，保证了焊接质量；而且该装置结构简单，成本低，有利于在实验室、工程实际中的大量应用。

进一步，本实用新型所述实时监测部还包括监测焊接热的测温单元，所述测温单元包括布置在金属试板表面，靠近窄间隙坡口间隔排列的若干个温度传感器，所述温度传感器的输出端均与数据处理部的输入端口连接。

温度传感器可对焊接过程中靠近窄间隙坡口不同位置处的温度进行监测，不同位置处的温度能够反映激光填丝焊对焊接金属试板的焊接热循环，可以与后期的组织性能测试结合分析激光热源对金属试板的热作用情况，进一步优化焊接工艺参数。

更进一步，本实用新型所述测温单元的温度传感器包括在金属试板下表面，靠近窄间隙坡口钝边且距窄间隙坡口钝边呈梯度距离间隔排列布置的若干个温度传感器，相邻两个温度传感器距窄间隙坡口钝边的垂直距离相差3-7mm。

这样，可以监测底部焊接热传导情况，分析激光热源对金属试板底部的热作用情况，进一步优化焊接工艺参数；经试验验证，距坡口钝边每3-7mm的距离布置一个温度传感器差距可保证对热传导情况的侧壁实时监测。

再进一步，本实用新型所述测温单元的温度传感器包括在金属试板前表面、后表面和上表面，靠近窄间隙坡口且距窄间隙坡口呈梯度距离间隔排列布置的若干个温度传感器，相邻两个温度传感器距窄间隙坡口侧壁或钝边的垂直距离相差3-7mm。

这样，可以监测侧壁焊接热传导情况，分析激光热源对金属试板侧壁的热作用情况，进一步优化焊接工艺参数；经试验验证，距坡口钝边或侧壁每3-7mm的距离布置一个温度传感器差距可保证对热传导情况的实时监测。

进一步，所述产生激光束的激光器的控制端、窄间隙送气管的控制端、窄间隙专用送丝枪的控制端、高速摄像机的控制端、光谱仪的控制端、激光辅助光源的控制端、数据处理部均与控制中心连接。

这样，激光束、窄间隙送气管和窄间隙专用送丝枪的移动和作业均通过控制中心控制，而且控制中心还可同时控制高速摄像机、光谱仪和激光辅助光源始终对准焊接区域，并根据数据处理部采集的数据信息调整激光器所发出的激光束的强度和角度、窄间隙送气管的送气速度和窄间隙专用送丝枪的送丝速度。这样实现了模拟焊接过程并实时监测的自动化，大大提高了模拟焊接过程、监测并优化焊接工艺参数的效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例一装置的三维结构示意图。

图2为本实用新型实施例一焊接模拟部的正视图。

图3为本实用新型实施例一焊接模拟部的右视图。

图4为本实用新型实施例一温度传感器在金属试板底部的布置位置示意图。

图中，12为焊接熔池，13为焊缝，14为温度传感器。

具体实施方式

实施例一

图1示出，一种模拟厚板窄间隙激光填丝焊接并实时监测的装置，包括焊接模拟部、实时监测部和数据处理部10，其结构特点是：

所述焊接模拟部包括装配夹紧的金属试板1和GG17玻璃试板2；用于进行激光填丝焊的激光束3；用于输送焊接保护气的窄间隙送气管4；用于输送焊丝5的窄间隙专用送丝枪6和焊丝5；所述金属试板1和GG17玻璃试板2接触处开设有模拟实际焊接接头的窄间隙坡口；图2为本例焊接模拟部的正视图，图3为本发例焊接模拟部的右视图。本例中，所述窄间隙送气管4与水平面呈78～82°；窄间隙专用送丝枪6与水平面呈45°～70°，引入的激光束3与垂直方向呈5°～10°。

所述实时监测部包括布置在GG17玻璃试板2一侧正对焊接区域的高速摄像机8、光纤探头7和激光辅助光源9，所述光纤探头7与光谱仪11连接；

所述光谱仪11和高速摄像机8的输出端均与数据处理部10的输入端口连接。

本例中所述实时监测部还包括监测焊接热的测温单元，所述测温单元包括布置在金属试板1表面，靠近窄间隙坡口处间隔排列的若干个温度传感器，所述温度传感器的输出端均与数据处理部10的输入端口连接。所述测温单元的温度传感器包括在金属试板1下表面，靠近窄间隙坡口钝边且距窄间隙坡口钝边呈梯度距离间隔排列布置的若干个温度传感器，相邻两个温度传感器距窄间隙坡口钝边的垂直距离相差3-7mm。

图4示出，温度传感器的一种排列方式。如果传感器完全按照与焊缝垂直的方式排成一列，由于传感器的尺寸，一些位置可能受到传感器的遮挡无法布置更多传感器，为了尽可能多地获得距焊缝不同距离的点的温度。本例中将温度传感器交错排列成与焊缝呈一定角度的斜线。这样，采集点的位置就可以不受传感器尺寸的影响。

实施例二

一种模拟厚板窄间隙激光填丝焊接并实时监测的装置，包括焊接模拟部、实时监测部和数据处理部10，其结构特点是：

所述焊接模拟部包括装配夹紧的金属试板1和GG17玻璃试板2；用于进行激光填丝焊的激光束3；用于输送焊接保护气的窄间隙送气管4；用于输送焊丝5的窄间隙专用送丝枪6和焊丝5；所述金属试板1和GG17玻璃试板2接触处开设有模拟实际焊接接头的窄间隙坡口；

所述实时监测部包括布置在GG17玻璃试板2一侧正对焊接区域的高速摄像机8、光纤探头7和激光辅助光源9，所述光纤探头7与光谱仪11连接；

所述光谱仪11和高速摄像机8的输出端均与数据处理部10的输入端口连接。

本例中所述实时监测部还包括监测焊接热的测温单元，所述测温单元包括布置在金属试板1表面，靠近窄间隙坡口间隔排列的若干个温度传感器，所述温度传感器的输出端均与数据处理部10的输入端口连接。

本例中所述测温单元的温度传感器包括在金属试板1下表面，靠近窄间隙坡口钝边且距窄间隙坡口钝边呈梯度距离间隔排列布置的若干个温度传感器，还包括在金属试板1前表面、后表面和上表面，靠近窄间隙坡口且距窄间隙坡口呈梯度距离间隔排列布置的若干个温度传感器，相邻两个温度传感器距窄间隙坡口侧壁或钝边的垂直距离相差3-7mm。

本例中所述产生激光束3的激光器的控制端、窄间隙送气管4的控制端、窄间隙专用送丝枪6的控制端、高速摄像机8的控制端、光谱仪11的控制端、激光辅助光源9的控制端、数据处理部10均与控制中心连接。