本文介紹了一種多方法同步的過程監(jiān)測方法，包括測量壁面溫度和蒸汽毛細管深度，以及通過脈動小孔開孔和飛濺現(xiàn)象來表征過程穩(wěn)定性。

為了理解甚至控制深熔激光焊接過程，必須了解由蒸汽毛細管和熔池組成的高度動態(tài)系統(tǒng)的物理行為。本文介紹了一種多方法同步的過程監(jiān)測方法，包括測量壁面溫度和蒸汽毛細管深度，以及通過脈動小孔開孔和飛濺現(xiàn)象來表征過程穩(wěn)定性。

深熔透激光焊接是一種連接工藝，由于焊縫的高寬比，可以產(chǎn)生具有較小熱影響區(qū)的高質(zhì)量焊縫。這種高縱橫比是通過形成所謂的蒸汽毛細管來實現(xiàn)的，蒸汽毛細管是位于激光束大致位置的熔池表面上的一個長針形空腔。它是由激光誘導材料蒸發(fā)的反沖壓力產(chǎn)生的，這會導致熔體的局部位移，從而成功地形成蒸汽毛細管。在充滿金屬蒸汽和部分環(huán)境氣體的毛細管內(nèi)，激光輻射在毛細管壁上的多次反射導致整個腔體深度的吸收增加，因此激光的相應(yīng)熱輸入也在材料表面下方的深處實現(xiàn)。然而，這個由熔池和蒸汽帽組成的系統(tǒng)是高度動態(tài)的，因此在過程中的任何時候毛細管壁上都不會發(fā)生準穩(wěn)態(tài)平衡。

該系統(tǒng)的動力學特征是在很短的時間尺度上出現(xiàn)波動，需要使用高速測量來充分映射過程的基本特征。由于涉及各種物理現(xiàn)象，并且不同材料相之間存在界面，因此只能通過結(jié)合多種測量方法來全面研究該過程。毛細管壁處的溫度分布被認為是過程行為的中心參數(shù)，可以通過本文介紹的新型測試裝置和樣品設(shè)計進行高溫分析。通過光學相干層析成像（OCT）對蒸汽毛細管進行高速圖像和深度測量，補充了這些測量。這使得測定的壁溫時間過程與毛細管深度的變化、毛細管開口的變化和過程現(xiàn)象（如井噴或飛濺）相關(guān)。

圖1測量裝置同步實驗裝置的原理圖。

不同測量值的最精確時間分配對測量信號之間的同步性提出了很高的要求。僅僅同步采樣信號來實現(xiàn)這一點是不夠的，因為信號處理的內(nèi)部運行時已經(jīng)會導致顯著的時間偏移。因此，同步必須通過一個事件來實現(xiàn)，根據(jù)其性質(zhì)，該事件可以被所有相關(guān)測量儀器檢測到，并且在其所有可測量屬性中都是同步的。生成的事件越短，測量信號的同步就越精確。該裝置的實驗如圖1所示。

帶有半圓形缺口的旋轉(zhuǎn)圓盤同時打開高溫計和照明激光器的光束路徑。對于高溫計而言，可測量的信號由鎢燈的熱輻射組成，而高速攝像機檢測照明激光光斑在屏幕上的投影。OCT的測量點位于旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣。可檢測事件是由于缺口朝邊緣打開，導致圓盤邊緣深度相對于探測器的變化。同步性的精度可以根據(jù)磁盤的旋轉(zhuǎn)速度而變化。在最大轉(zhuǎn)速下，對于給定尺寸的圓盤光圈，可達到δtmin=40μs的最大精度，這小于高速曝光的曝光時間。

圖2測量毛細管壁附近溫度的實驗裝置，包括焊接樣品設(shè)計原理圖。

同步測量裝置用于激光束深熔焊接過程觀察。毛細管壁溫度的高溫計測量是進行研究的中心。為了進行這些測量，將一側(cè)被鉭箔封閉的鉭管插入焊接試樣前部的孔中，從而形成高熔點測量通道（見圖2）。高溫計的輻射測量是在金屬箔的內(nèi)部進行的，金屬箔用作溫度屏，因此作為灰色散熱器，映射鉭探針外部的工藝溫度。通過在樣品表面下方的不同深度鉆孔，可以在幾次測量中記錄軸向溫度分布。

由于毛細管深度受到強烈的時間波動的影響，以這種方式確定的溫度和深度之間的相關(guān)性不是絕對的，因此，需要通過OCT對焊接深度進行額外測量來補充實驗裝置。OCT測量與毛細管開口中的加工激光平行進行，因此，提供最大檢測深度。此外，橫向于焊接方向進行高速記錄，以評估工藝穩(wěn)定性。試驗裝置如圖2所示，并顯示了焊接樣品周圍測量儀器的布置。試驗在焊接速度為50 mm/s、激光功率為P=5 kW的條件下進行。鉭探針的鉆孔位于樣品表面下方d=4 mm的深度處。

圖3通過測量毛細管壁溫度、毛細管深度和高速圖像同步過程觀察的結(jié)果。

如圖3所示，測量結(jié)果顯示毛細管深度在3 mm和6 mm之間波動。OCT信號的過濾之前通過焊縫熔透的金相橫截面進行校準。在蒸汽毛細管的前壁所在的區(qū)域，測量得到的最高溫度Tmax在2640和2960k之間，由此可以支持文獻中較為流行的一個假設(shè)，該假設(shè)認為，在毛細管壁的附近區(qū)域的熔體存在過熱。

圖4 304型不銹鋼中光纖和YAG激光的吸收隨離焦距離的變化。

來源：Implementation of a Synchronized Multi-method Process Observation in Deep Penetration Laser Welding，Photonics Views, DOI: 10.1002/phvs.202100011

參考文獻：S. Katayama, Y.Kawahito, M. Mizutani: Latest Progress in Performance and Un-derstanding of Laser Welding, Physics Procedia 39 (2012) 8–16.