本文介紹了一種多方法同步的過程監(jiān)測(cè)方法，包括測(cè)量壁面溫度和蒸汽毛細(xì)管深度，以及通過脈動(dòng)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(xì)管和熔池組成的高度動(dòng)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(cè)方法，包括測(cè)量壁面溫度和蒸汽毛細(xì)管深度，以及通過脈動(dòng)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(xì)管來實(shí)現(xiàn)的，蒸汽毛細(xì)管是位于激光束大致位置的熔池表面上的一個(gè)長(zhǎng)針形空腔。它是由激光誘導(dǎo)材料蒸發(fā)的反沖壓力產(chǎn)生的，這會(huì)導(dǎo)致熔體的局部位移，從而成功地形成蒸汽毛細(xì)管。在充滿金屬蒸汽和部分環(huán)境氣體的毛細(xì)管內(nèi)，激光輻射在毛細(xì)管壁上的多次反射導(dǎo)致整個(gè)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(shí)現(xiàn)。然而，這個(gè)由熔池和蒸汽帽組成的系統(tǒng)是高度動(dòng)態(tài)的，因此在過程中的任何時(shí)候毛細(xì)管壁上都不會(huì)發(fā)生準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡。

該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征是在很短的時(shí)間尺度上出現(xiàn)波動(dòng)，需要使用高速測(cè)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(cè)量方法來全面研究該過程。毛細(xì)管壁處的溫度分布被認(rèn)為是過程行為的中心參數(shù)，可以通過本文介紹的新型測(cè)試裝置和樣品設(shè)計(jì)進(jìn)行高溫分析。通過光學(xué)相干層析成像（OCT）對(duì)蒸汽毛細(xì)管進(jìn)行高速圖像和深度測(cè)量，補(bǔ)充了這些測(cè)量。這使得測(cè)定的壁溫時(shí)間過程與毛細(xì)管深度的變化、毛細(xì)管開口的變化和過程現(xiàn)象（如井噴或飛濺）相關(guān)。

圖1測(cè)量裝置同步實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖。

不同測(cè)量值的最精確時(shí)間分配對(duì)測(cè)量信號(hào)之間的同步性提出了很高的要求。僅僅同步采樣信號(hào)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是不夠的，因?yàn)樾盘?hào)處理的內(nèi)部運(yùn)行時(shí)已經(jīng)會(huì)導(dǎo)致顯著的時(shí)間偏移。因此，同步必須通過一個(gè)事件來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)其性質(zhì)，該事件可以被所有相關(guān)測(cè)量?jī)x器檢測(cè)到，并且在其所有可測(cè)量屬性中都是同步的。生成的事件越短，測(cè)量信號(hào)的同步就越精確。該裝置的實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

帶有半圓形缺口的旋轉(zhuǎn)圓盤同時(shí)打開高溫計(jì)和照明激光器的光束路徑。對(duì)于高溫計(jì)而言，可測(cè)量的信號(hào)由鎢燈的熱輻射組成，而高速攝像機(jī)檢測(cè)照明激光光斑在屏幕上的投影。OCT的測(cè)量點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣?？蓹z測(cè)事件是由于缺口朝邊緣打開，導(dǎo)致圓盤邊緣深度相對(duì)于探測(cè)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(duì)于給定尺寸的圓盤光圈，可達(dá)到δtmin=40μs的最大精度，這小于高速曝光的曝光時(shí)間。

圖2測(cè)量毛細(xì)管壁附近溫度的實(shí)驗(yàn)裝置，包括焊接樣品設(shè)計(jì)原理圖。

同步測(cè)量裝置用于激光束深熔焊接過程觀察。毛細(xì)管壁溫度的高溫計(jì)測(cè)量是進(jìn)行研究的中心。為了進(jìn)行這些測(cè)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(diǎn)測(cè)量通道（見圖2）。高溫計(jì)的輻射測(cè)量是在金屬箔的內(nèi)部進(jìn)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(cè)量中記錄軸向溫度分布。

由于毛細(xì)管深度受到強(qiáng)烈的時(shí)間波動(dòng)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(duì)的，因此，需要通過OCT對(duì)焊接深度進(jìn)行額外測(cè)量來補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)裝置。OCT測(cè)量與毛細(xì)管開口中的加工激光平行進(jìn)行，因此，提供最大檢測(cè)深度。此外，橫向于焊接方向進(jìn)行高速記錄，以評(píng)估工藝穩(wěn)定性。試驗(yàn)裝置如圖2所示，并顯示了焊接樣品周圍測(cè)量?jī)x器的布置。試驗(yàn)在焊接速度為50 mm/s、激光功率為P=5 kW的條件下進(jìn)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(cè)量毛細(xì)管壁溫度、毛細(xì)管深度和高速圖像同步過程觀察的結(jié)果。

如圖3所示，測(cè)量結(jié)果顯示毛細(xì)管深度在3 mm和6 mm之間波動(dòng)。OCT信號(hào)的過濾之前通過焊縫熔透的金相橫截面進(jìn)行校準(zhǔn)。在蒸汽毛細(xì)管的前壁所在的區(qū)域，測(cè)量得到的最高溫度Tmax在2640和2960k之間，由此可以支持文獻(xiàn)中較為流行的一個(gè)假設(shè)，該假設(shè)認(rèn)為，在毛細(xì)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(xiàn)：S. Katayama, Y.Kawahito, M. Mizutani: Latest Progress in Performance and Un-derstanding of Laser Welding, Physics Procedia 39 (2012) 8–16.