阅读说明：本技术 一种用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置 (It is a kind of for study hyperbaric environment laser welding without booster pump welding experimental device ) 是由 龙健 张林杰 张延斌 郭潜 张亮亮 殷咸青 张贵锋 张建勋 罗锡柱 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置,试样固定于杠杆的一端,压电传感器与杠杆的另一端相接触,高压腔室的顶部设置有激光透射窗口,高压腔室的侧面设置有第一观察窗口及第二观察窗口,其中,高速摄影相机正对所述第一观察窗口,光谱仪正对第二观察窗口,压电传感器的输出端经电荷放大器与示波器相连接；透光石英玻璃片位于试样的上方,激光焊接头发出的激光穿过激光透射窗口及透光石英玻璃片照射到试样上；氩气瓶的出口经减压阀与高压腔室相连通,该装置能够研究不同环境压力下的激光焊接熔池行为、熔池动力学行为与环境压力的关联关系,且无需增压泵。(The invention discloses it is a kind of for study hyperbaric environment laser welding without booster pump welding experimental device, sample is fixed on one end of lever, piezoelectric transducer is in contact with the other end of lever, laser transmission window is provided at the top of high-pressure chamber, the side of high-pressure chamber is provided with the first watch window and the second watch window, wherein, first watch window described in high-speed photography camera face, the output end of the second watch window of spectrometer face, piezoelectric transducer is connected through charge amplifier with oscillograph；Light transmission quartz glass plate is located at the top of sample, and the laser that laser welding head issues passes through laser transmission window and light transmission quartz glass plate is irradiated on sample；The outlet of argon bottle is connected through pressure reducing valve with high-pressure chamber, which can study the incidence relation of laser weld pools behavior under varying environment pressure, molten bath dynamic behavior and environmental pressure, and be not necessarily to booster pump.)

一种用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置。

背景技术

激光深熔焊接具有热输入低、加热区小、精度高和效率高等优点，应用最广泛的红外激光还可以用柔性光纤远距离传输，因此在新型核燃料棒焊接、核电和电子等行业的器件内部高压气体封装、水下焊接(水深每增加100米，则压力增大1MPa)等领域得到越来越广泛的应用，急需研究高压环境激光焊接物理机制和开发相关技术。

高压舱为进行高压环境焊接试验提供所需的高压环境。传统的高压环境焊接试验采用TIG焊、MIG焊等弧焊热源，将焊接头安装在高压舱内，舱内压力的增高是通过增压泵打压来实现，高压舱体积大、舱内杂质气体残留多、操作效率低。

激光深熔焊接的诸多优点来自于其本质特征：“小孔(keyhole)”现象，而金属强烈蒸发导致的反冲压力是形成“小孔”的关键驱动力。众所周知，环境压力会影响材料的蒸发行为，因此研究不同环境压力下的激光焊接反冲压力很有必要。目前，关于激光焊接反冲压力的研究主要是通过理论计算进行。

激光焊接中会在激光束加热区域上方形成等离子体，激光束穿过等离子体时一部分激光能量会被等离子体吸收，同时激光束穿过等离子体时还会发生折射和散射导致到达工件表面的激光能量密度下降。高压环境下等离子体压缩后，其内部电子和离子密度随压力增大而增大，等离子体对激光能量的屏蔽效应也随之增大并影响焊接效率和焊接质量，因此研究不同环境压力下的激光焊接等离子体很有必要。目前关于环境压力变化对激光焊等离子体影响的研究主要集中于环境压力减小(低于标准大气压，即负压或真空条件)条件下的激光焊接。

激光焊接熔池行为直接决定焊接缺陷、焊缝组织等，而与环境压力相关的金属蒸发反冲压力是驱动熔池流动、影响传热和熔池稳定性的重要因素，因此研究不同环境压力下的激光焊接熔池行为、理解熔池动力学行为与环境压力的关联关系很有必要，对焊接质量调控具有指导意义。然而由于焊接熔池位于工件内部、焊接区尺寸小、焊接区有强光高温等强烈干扰，目前对熔池内部行为的研究主要通过流体力学计算手段进行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置，该装置能够研究不同环境压力下的激光焊接熔池行为、熔池动力学行为与环境压力的关联关系，且无需增压泵。

为达到上述目的，本发明所述的用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置包括连接杆、氩气瓶、激光焊接头、减压阀、高速摄影相机、光谱仪、电荷放大器、示波器、高压腔室以及设置于高压腔室内的压电传感器、杠杆及透光石英玻璃片；

连接杆的一端固定于高压腔室的内壁上，压电传感器设置于连接杆的另一端上，试样固定于杠杆的一端，压电传感器与杠杆的另一端相接触，高压腔室的顶部设置有激光透射窗口，高压腔室的侧面设置有第一观察窗口及第二观察窗口，其中，高速摄影相机正对所述第一观察窗口，光谱仪正对第二观察窗口，压电传感器的输出端经电荷放大器与示波器相连接；

透光石英玻璃片位于试样的上方，激光焊接头发出的激光穿过激光透射窗口及透光石英玻璃片照射到试样上；

氩气瓶的出口经减压阀与高压腔室相连通。

高压腔室的顶部设置有透光玻璃槽及密封槽，其中，透光玻璃槽、密封槽及激光透射窗口由内到外依次分布，盖板的底部设置有凹槽，镀膜高纯石英玻璃的下侧位于所述透光玻璃槽内，镀膜高纯石英玻璃的上侧位于所述凹槽内，第一橡胶密封圈的下侧内嵌于所述密封槽内，第一橡胶密封圈的上侧与镀膜高纯石英玻璃的底面相接触，镀膜高纯石英玻璃与凹槽的底部之间设置有第二橡胶密封圈。

高压腔室的侧面设置有带有背压阀的出气口。

高速摄影相机与第一观察窗口之间设置有滤光镜。

压电传感器的灵敏度≥0.2mv/N，响应时间<10ms。

镀膜高纯石英玻璃对1070nm光纤激光的透射率大于等于95％。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置在具体操作时，氩气瓶的出口经减压阀与高压腔室相连通，通过氩气瓶的开关，以调节高压腔室的气压，从而避免使用增压泵，高压腔室内的压力调节范围为0.1MPa-12MPa，且可实现无级调节，在焊接过程中，通过压电传感器及示波器实现高压激光焊接金属蒸发反冲压力的测量，同时透光石英玻璃片位于试样的上方，在实际操作时，通过调节透光石英玻璃片的高度，以收集分析工件表面垂直上方不同高度处激光焊接过程中产生的纳米金属颗粒，可区分光束路径内外的纳米金属颗粒。另外，通过光谱仪及高速摄影相机检测焊接过程中激光与金属材料之间相互作用产生的等离子体的尺寸及光谱信号，以达到研究不同环境压力下的激光焊接熔池行为、熔池动力学行为与环境压力的关联关系的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为激光透射窗口2的示意图；

图3为本发明中试样的示意图；

图4为镀膜透光石英片收集焊接过程纳米金属颗粒23束流的示意图；

图5为环境压力对304不锈钢脉冲激光焊焊缝形貌的影响图；

图6为环境压力对304不锈钢脉冲激光焊接过程中光束路径内、外纳米金属颗粒23数量的影响图；

图7为环境压力对304不锈钢脉冲激光焊接中准稳态等离子体羽的影响图；

图8为环境压力对304不锈钢脉冲激光焊过程中等离子体光谱的影响图；

图9为环境压力对试样脉冲激光焊熔池形态演变的影响图。

其中，1为激光焊接头、2为激光透射窗口、3为高压腔室、41为第一观察窗口、42为第二观察窗口、5为杠杆、6为背压阀、7为减压阀、8为氩气瓶、9为高速摄影相机、10为光谱仪、11为压电传感器、12为电荷放大器、13为示波器、14为盖板、15为第二橡胶密封圈、16为镀膜高纯石英玻璃、17为第一橡胶密封圈、18为透光石英玻璃片、19为密封槽、20为透光玻璃槽、21为不锈钢试样、22为耐高温玻璃、23为纳米金属颗粒、24为滤光镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1至图4，本发明所述的用于研究高压环境激光焊接的无增压泵焊接实验装置包括连接杆、氩气瓶8、激光焊接头1、减压阀7、高速摄影相机9、光谱仪10、电荷放大器12、示波器13、高压腔室3以及设置于高压腔室3内的压电传感器11、杠杆5及透光石英玻璃片18；连接杆的一端固定于高压腔室3的内壁上，压电传感器11设置于连接杆的另一端上，试样固定于杠杆5的一端，压电传感器11与杠杆5的另一端相接触，高压腔室3的顶部设置有激光透射窗口2，高压腔室3的侧面设置有第一观察窗口41及第二观察窗口42，其中，高速摄影相机9正对所述第一观察窗口41，光谱仪10正对第二观察窗口42，压电传感器11的输出端经电荷放大器12与示波器13相连接；透光石英玻璃片18位于试样的上方，激光焊接头1发出的激光穿过激光透射窗口2及透光石英玻璃片18照射到试样上；氩气瓶8的出口经减压阀7与高压腔室3相连通。

高压腔室3的顶部设置有透光玻璃槽20及密封槽19，其中，透光玻璃槽20、密封槽19及激光透射窗口2由内到外依次分布，盖板14的底部设置有凹槽，镀膜高纯石英玻璃16的下侧位于所述透光玻璃槽20内，镀膜高纯石英玻璃16的上侧位于所述凹槽内，第一橡胶密封圈17的下侧内嵌于所述密封槽19内，第一橡胶密封圈17的上侧与镀膜高纯石英玻璃16的底面相接触，镀膜高纯石英玻璃16与凹槽的底部之间设置有第二橡胶密封圈15。

高压腔室3的侧面设置有带有背压阀6的出气口；高速摄影相机9与第一观察窗口41之间设置有滤光镜24。

压电传感器11的灵敏度≥0.2mv/N，响应时间<10ms；镀膜高纯石英玻璃16对1070nm光纤激光的透射率大于等于95％。

本发明的具体操作过程为：

试样由不锈钢试样21与耐高温玻璃22组成，不锈钢试样21与耐高温玻璃22相接触，在实际焊接时，先将试样进行打磨，再用酒精进行擦拭，然后将试样放置于高压腔室3内，将透光石英玻璃片18放置于试样的上方，将激光焊接头1的光斑中心与试样的中心重合，再利用镀膜高纯石英玻璃16将激光透射窗口2进行密封，同时将第一观察窗口41及第二观察窗口42进行密封，并关闭背压阀6，打开氩气瓶8及减压阀7，等待30s后打开背压阀6，再等待30s后调节背压阀6及减压阀7，使得高压腔室3的内部压力达到所需环境压力，然后关闭氩气瓶8及背压阀6；

打开高速摄影相机9、光谱仪10及示波器13，并将示波器13的示数清零，将激光束的光斑中心位于不锈钢试样21与耐高温玻璃22的接触界面处进行焊接；增加滤光镜24，通过高速摄影相机9进行拍摄，通过光谱仪10检测电子密度及试样的温度，同时通过压电传感器11及示波器13观察激光束对试样的冲击力，通过透光石英玻璃片18收集试样发出的纳米金属颗粒23；

当试样焊接完成后，则打开背压阀6，释放气体至高压腔室3的环境压力到达常压，然后将试样取出。