一种金属材料深熔焊接小孔全方位直接观测用复合试件的制作方法

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全方位直接观测用复合试件。

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(见图1)，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，申请人对图1的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，见图2)，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(见图3)，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，采用图1至图3的实验装置，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。

综上可以发现：现有的小孔观测方法均只能实现从工件顶面、底面或侧面观测激光深熔焊接时的小孔形状，即只能获取工件顶面、底面或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面，也是金属与gg17的结合面)的小孔轮廓形状，而无法获取真实的三维小孔形状。

(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，见图4。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(见图5)，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(见图9(a))，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(见图9(b))，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。该方法是在图3所示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。

综上所述，在现有技术中，既没有一种能对金属材料深熔焊接小孔形貌进行全方位直接观测的装置和方法，也没有一种能对金属材料深熔焊接小孔内等离子体分布进行全方位直接观测的装置和方法，同样也没有一种能用于金属材料深熔焊接小孔全方位直接观测的复合试件。

技术实现要素：

因此，本发明首先提供一种金属材料深熔焊接小孔全方位直接观测用复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的gg17试件，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°。

在一种具体的实施方式中，1°≤n≤60°，优选2°≤n≤45°，更优选5°≤n≤30°。

在一种具体的实施方式中，所述复合试件的底面即gg17试件的底面为平面，且复合试件的底面与复合试件的顶面平行。

在一种具体的实施方式中，所述复合试件整体呈长方体或正方体形。

在一种具体的实施方式中，所述金属试件为顶面、倾斜底面和一个竖向侧面均为矩形，且有两个相对的竖向侧面为直角三角形的三棱柱形结构。

在一种具体的实施方式中，所述gg17试件为三棱柱形结构，或者所述gg17试件为倾斜顶面、底面和有两个相对的竖向侧面均为矩形，而另外两个相对的竖向侧面均为直角梯形的四棱柱形结构；且优选所述gg17试件为四棱柱形结构。

在一种具体的实施方式中，所述金属试件为铝合金试件。

本发明还相应提供一种深熔焊接小孔观测用装置，包括上所述的复合试件，以及设置在复合试件下方且用于改变光线传输方向的反射镜。

此外，本发明提供一种金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测的装置，所述装置包括焊接头、位于焊接头下方的复合试件，以及用于观测小孔形貌的图像拍摄部件；所述焊接头为能使用激光或者电子束的焊接头；所述复合试件包括在上的金属试件和在下的gg17试件，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°；所述图像拍摄部件包括摄像机，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。

在一种具体的实施方式中，所述图像拍摄部件整体设置在可平移的位移工作台上。

在一种具体的实施方式中，所述焊接头为激光焊接头，且包括激光束、压缩空气入口、激光焊接喷嘴和gaas聚焦透镜；所述图像拍摄部件还包括反射镜和滤光片。

在一种具体的实施方式中，所述装置还包括用于防止金属氧化以及加强焊接工件表面散热的氩气喷嘴(11)。

此外，本发明还相应提供一种金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测的方法，所述方法中包括使用一种复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的gg17试件，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°；所述方法包括如下步骤，

步骤a、将所述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；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，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；

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。

在一种具体的实施方式中，所述图像拍摄部件整体设置在可平移的位移工作台上，所述位移工作台随着焊接方向和焊接速度同步移动，以便及时拍摄到结合面上的小孔在水平面内的投影图像。

此外，本发明还相应提供一种金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的装置，所述装置包括焊接头、位于焊接头下方的复合试件，以及用于观测小孔内等离子体情况的光谱信号检测部件；所述焊接头为能使用激光或者电子束的焊接头；所述复合试件包括在上的金属试件和在下的gg17试件，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°；所述光谱信号检测部件包括光纤和光谱仪。

在一种具体的实施方式中，所述光谱信号检测部件还包括反射镜和光纤固定板。

在一种具体的实施方式中，所述光谱信号检测部件整体设置在可平移的位移工作台上。

在一种具体的实施方式中，所述装置还包括用于对小孔形貌全方位直接观察的图像拍摄部件，所述图像拍摄部件包括摄像机，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。

在一种具体的实施方式中，所述图像拍摄部件整体设置在一个可平移的位移工作台上，优选所述图像拍摄部件还包括反射镜和滤光片。

此外，本发明还相应提供一种金属材料深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测的方法，所述方法中包括使用一种复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的gg17试件，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°；所述方法包括如下步骤，

步骤a、将所述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；并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；

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。

在一种具体的实施方式中，所述光谱信号检测部件还包括反射镜和光纤固定板；优选所述光谱信号检测部件整体设置在可平移的位移工作台上，所述位移工作台随着焊接方向和焊接速度同步移动，以便及时捕捉到小孔内的等离子体的光谱信号。

在一种具体的实施方式中，还包括使用图像拍摄部件与所述焊接头以及复合试件配合使用以便对小孔形貌全方位直接观察，所述图像拍摄部件包括摄像机，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；具体可以先使用图像拍摄部件、焊接头以及复合试件观察小孔形貌，合理布置光纤在光纤固定板上的位置，以确保光纤能够获取整个小孔截面内的光信号，后使用光谱信号检测部件、焊接头以及复合试件观察小孔内的等离子体；或者先使用光谱信号检测部件、焊接头以及复合试件观察小孔内的等离子体，后使用图像拍摄部件、焊接头以及复合试件观察小孔形貌。

本发明至少具有如下有益效果：

1)本发明提供的小孔观测实验装置可以清晰准确地观测真实三维小孔在不同深度处的横截面轮廓，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，给小孔行为的研究以及小孔内能量吸收机制提供更精确的小孔形状。

2)本发明提供的小孔孔内等离子体观测装置可以清晰准确地检测不同深度处真实三维小孔截面内的等离子体辐射光谱信息，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，不存在观测死角，更加符合实际情况，为等离子体反韧致辐射吸收的研究提供准确的孔内等离子体参数。

附图说明

图1为现有技术中的第一种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图2为现有技术中的第二种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图3为现有技术中的第三种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图4为现有技术中的第一种深熔焊接小孔内等离子体观测装置结构图。

图5为现有技术中的第二种深熔焊接小孔内等离子体观测装置结构图，具体包括图5(a)和图5(b)。

图6为本发明提供的深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置结构图。

图7为本发明提供的深熔焊接小孔内等离子体全方位直接观测装置结构图。

图8为用于深熔焊接过程中已经形成小孔的本发明中复合试件的结构示意图。

在本发明的图6至图8中：1-激光束、2-压缩空气入口、3-激光焊接喷嘴、4-金属试件、5-gg17试件、6-滤光片、7、摄像机、8-反射镜、9-小孔、10-焊接方向、11-氩气喷嘴、12-gaas聚焦透镜、13-光纤固定板、14-光纤、15-光谱仪、88-结合面。

图9为现有技术或本发明提供的gg17玻璃与铝合金的光谱线图，具体包括图9(a)和图9(b)。

具体实施方式

如图6～8所示，本发明提供一种金属材料深熔焊接小孔全方位直接观测用复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的gg17试件，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°。

实施例1

使用如图6所示装置分层直接观测不同深度处的小孔横截面轮廓形状的技术方案。

如图6所示，一种用于金属材料深熔焊接(激光、电子束等)小孔形貌直接观测的新装置，包括主要由激光束1、压缩空气入口2、激光焊接喷嘴3、氩气喷嘴11、gaas聚焦透镜12组成的激光焊接头，由金属试件4和gg17试件5组成的复合试件，以及由滤光片6、摄像机7和反射镜8组成的图像拍摄部件。

图6中观测的实验原理：本发明采用双层复合工件，即上部分金属试件4为工程实际中广泛使用的金属，下部分gg17试件5为透明的、抗热震性好的特种玻璃gg17，两者的结合面为一小角度的斜面。利用gg17玻璃蒸汽和金属等离子体的发光强度的差异，高速相机透过透明玻璃材料从工件下部直接观测金属材料深熔焊接时不同深度处金属试件与gg17玻璃试件结合面上的小孔、熔池形状。在焊接稳定的情况下，通过选择合适厚度的滤光片6，高速相机获取一系列的小孔、熔池截面轮廓，即逐层截面直接观测，类似于医学上常用的ct(电子计算机断层扫描)成像技术。在小孔截面形状逐层观测结果的基础上，通过重构可获得真实三维小孔形状，为小孔效应的理论研究提供精确小孔形状依据。

小孔的直径和深度会因焊接功率、焊接速度、离焦量以及工件材料不同而有所不同，但激光深熔焊接的小孔直径通常小于1mm。在金属材料的深熔焊接的稳定状态下，这个小孔是一直存在的，且等离子体充满整个小孔内部。也就是说，现有技术中本领域技术人员已经知晓该小孔是不规则的弯曲小孔，其整体在高度方向上(竖向)大致呈弯曲且尖头朝下的上大下小的形状，且小孔的弯曲方向与焊接方向相反，小孔的顶面形状有报导为圆形、椭圆形或呈水滴状等形状。且现有技术中已经知晓小孔的高度以及小孔在对称截面的形状。但现有技术中并不清楚小孔内各个深度处的小孔的横截面形状，在小孔重构时只能将该深处的横截面形状理想化地描述成圆形、椭圆形或水滴型等与小孔的顶面形状为相似图形的形状。而包括发明人在内的不少学者认为，因金属的深熔焊接是个动态变化的过程，因而小孔内部的横截面形状可能与小孔顶部的形状并无关系。但现有技术中却没有一种能全方位直接观测深熔焊接小孔形貌的装置。

在图6中所示的焊接方向下，最开始是成像出小孔顶面(径向尺寸最大处)的形状，最后成像出小孔底部即其尖头部位的形状。如果焊接方向为与图6中焊接方向相反，则最开始时成像出小孔底部即其尖头部位的形状，最后成像出小孔顶面的形状。

本发明中，所述高速相机为高速摄像机的简称，也即ccd。图6中所述高速相机设置在复合试件的侧面，主要目的是防止深熔焊接时金属飞溅而损伤相机。在激光深熔焊接过程中，虽然激光照射的方向可以是任意方向上，但最常用的激光照射方向一般是竖直向下或略微倾斜，本发明为了便于研究深熔焊接时形成的小孔的形貌，因而选择激光竖直向下照射。

实施例2

使用如图7所示装置分层直接观测不同深度处的小孔横截面内等离子体信息的技术方案。

如图7所示，一种用于金属材料深熔焊接(激光、电子束等)小孔内等离子体直接观测的新装置，包括主要由激光束1、压缩空气入口2、激光焊接喷嘴3、氩气喷嘴11、gaas聚焦透镜12组成的激光焊接头，由金属试件4和gg17试件5组成的复合试件，以及由反射镜8、光纤固定板13、光纤14和光谱仪15组成的等离子体光谱信号检测部件。

图7中观测的实验原理：本发明采用双层复合工件，即上部分金属试件4为工程实际中广泛使用的金属，下部分gg17试件5为透明的gg17玻璃，两者的结合面为一小角度的斜面。通过合理布置的多根光纤14，采用多通道光谱仪15透过透明玻璃材料从工件下部直接观测金属材料深熔焊接时不同深度处金属试件与gg17玻璃试件结合面上的小孔截面内的等离子体辐射光谱信息。在焊接稳定的情况下，多通道光谱仪15可连续获取一系列的小孔截面内的等离子体信息，即逐层截面直接观测，类似于医学上常用的ct(电子计算机断层扫描)成像技术。结合实施例1中小孔截面形状逐层观测重构得到的真实三维小孔形状，可获取真实三维小孔内的全部等离子体辐射光谱分布信息，为等离子体反韧致辐射吸收理论研究提供准确的孔内等离子体参数。

本发明图7中，因为一根光纤只能观测到一定区域内的等离子体的分布信息，因而要获得小孔内完整地等离子体信息，则需要合理的布置多根光纤的位置，本发明中光纤观测的总面积至少大于小孔顶面面积(小孔顶面面积是整个小孔横截面面积最大)，具体的布置方案参照小孔顶面。而现有技术中光纤用于观测小孔的纵截面信息，因而其中仅涉及光纤在一维方向(小孔中心轴线)上的布置，而本发明中的光纤却涉及在二维方向(小孔横截面)上的合理布置。

实施例3

图8为用于深熔焊接过程中已经形成小孔9的本发明中复合试件的结构示意图。在深熔焊接之前，本发明中所述复合试件中不含小孔。所述复合试件包括在上的金属试件4和在下的gg17试件5，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(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°。

在制备本发明的复合试件(其结构例如见图8)过程中，将金属试件和gg17试件的结合面均打磨光滑，再用夹具将二者固定在一起形成复合试件。

本发明中，所述n的取值例如为1°≤n≤60°，优选2°≤n≤45°，更优选5°≤n≤30°。所述角度n越大，越趋近于90°时，复合试件的高度与焊接方向上复合试件的长度的比值越大，在同样的焊接速度下，结合面上的小孔形貌变化越快，因此n过大时可能会导致高速相机的摄像速度和精度达不到要求，影响小孔的观测精度。所述角度n越小，越趋近于0°时，复合试件的高度与焊接方向上复合试件的长度的比值越小，在同样的焊接速度下，结合面上小孔形貌变化越慢，因此n越小时一般拍摄精度越高。但n过小时可能会导致复合试件的长度(在焊接方向上的长度)过大。

本发明中，若金属试件为四棱柱形，则小孔顶部开始的一段深度的小孔形貌将无法拍摄到，因而优选本发明中金属试件为三棱柱形结构。本发明中，优选复合试件的底面与复合试件的顶面平行，方便所述复合试件被夹具固定以及观测。

本发明中，复合试件中在下的部分采用gg17玻璃试件。gg-17属于防火玻璃的一种，具体是一种高硼硅玻璃。高硼硅玻璃具有非常低的热膨胀系数，耐高温，耐200度的温差剧变。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。gg17玻璃的光谱对铝合金深熔焊接的观测不会产生影响和干涉，因此成为目前所知的铝合金深熔焊接研究的最佳玻璃。但若未来发现或研究出比gg17玻璃更为合适的在下试件，可将其替代本发明中的gg17试件用于得到复合试件。

此外，图1～5代表的现有技术以及图6～7代表的本发明装置中，所述gaas聚焦透镜的用途是将激光束发出的光线聚焦形成较小光斑，起到集中能量的作用。所述保护氩气的用途主要有①隔离空气，避免试件焊接过程中氧化影响焊接效果；②吹走小孔上部形成的等离子体，避免等离子体改变激光路径，影响焊接热量输入；③加强工件表面散热，有效地减少工件变形等作用。所述保护空气即压缩气体的用途是避免焊接飞溅物破坏所述gaas聚焦透镜。所述滤光片的用途是拍摄到合适亮度的照片，能够明显地区分出小孔部分和高温熔池部分，具体的实现办法是：调节滤光片的衰减率，衰减拍摄部分的亮度，以获得图像清晰的小孔截面照片。图5中设置位移工作台的目的是为了使得等离子体观察设备保持与深熔焊接中形成的小孔同步移动，以及时捕捉到小孔截面(在结合面上)的形貌。

图1～5代表的现有技术装置中都是从侧面直接拍摄小孔的截面(即结合面)的形貌，因而其中不需使用反光镜改变光线的方向。而图6～7代表的本发明装置中是从复合试件的下方去拍摄小孔的截面(即结合面)在水平面上投影的形貌，而为免高速相机等设备等被飞溅的熔融金属损伤而不能直接将其设置在复合试件的下方，因而本发明中需要使用反射镜来观测深熔焊接的小孔。另外，因为复合试件的下部分是透明的玻璃，上部分是不透明的金属，而相机从下往上拍摄，因而本发明中高速相机观测到的是结合面上的小孔、熔池形状，且直接观察到的是该形状在水平面上的投影。

本发明图6和图7的装置和相应方法中，本领域技术人员能理解的，都是从所述交线l的中部位置开始焊接，一般是焊接至交线l的对边的中部位置时结束焊接；或者是以与此相反的路径焊接。深熔焊接铝合金的速度例如为1000mm/min，当然也可以是其它更快或更慢的焊接速度。

从图1～7可见，现有技术中焊接方向线与结合面平行或在结合面内，而本发明中焊接方向线与结合面形成一个锐角夹角。

与现有技术不同的，本发明在如下几个方面取得了重大突破。

1)针对现有小孔形貌观测方法只能观测工件顶面、底面或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面)的小孔轮廓形状，不能实现小孔全方位观测的不足，本发明提供了一种通过透明材料实现分层直接观测不同深度处的小孔横截面轮廓形状的实验装置，彻底解决了金属材料深熔焊接小孔的全方位观测难题。

2)针对现有等离子体观测方法只能观测孔外或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面)的孔内等离子体信息，不能实现小孔内等离子体信息全方位观测的不足，本发明提供了一种通过透明材料实现分层直接观测不同深度处的小孔横截面内等离子体信息的实验装置，彻底解决了金属材料深熔焊接小孔孔内等离子体信息的全方位观测难题。

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。