本發(fā)明屬于同步輻射技術和激光焊接，尤其涉及一種基于高能同步輻射技術的萬瓦級激光焊接原位觀測裝置。

背景技術：

1、萬瓦級高功率激光焊接技術是一種利用激光能量實現(xiàn)基材快速熔化和凝固的技術，可實現(xiàn)中厚壁構件的高效率低變形焊接。萬瓦級高功率激光焊接時面臨焊接過程穩(wěn)定性差、氣孔/飛濺等缺陷易發(fā)的問題，而熔池-小孔動力學行為是激光焊接穩(wěn)定性一個至關重要的特征，它決定了焊縫最終的宏觀形貌以及存在的缺陷等。研究熔池-小孔演變過程可以建立起工藝參數(shù)-宏觀成形的關聯(lián)性，有助于明晰缺陷形成機理，通過優(yōu)化工藝參數(shù)實現(xiàn)焊接構件的宏觀良好成形。

2、目前激光焊接熔池/小孔的觀測采用“三明治”法即在透明玻璃中間夾金屬材料然后采用高速攝像進行拍攝。然而，該方法很難觀測到熔池小孔壁面微結構演變，另外玻璃等透明材料與激光深熔焊接金屬材料的物理過程差異過大，其結論僅能為實際激光深熔焊接機理提供有限參考，缺乏真實可靠性。

3、與此同時，高能同步輻射光源具有高亮度、高時空分辨率和高穿透性等優(yōu)勢，可為解決上述難題提供關鍵表征手段和方法。但是，同步輻射光源的高輻射性、不可移動性和低塵環(huán)境要求，導致傳統(tǒng)的工業(yè)級激光焊接裝置無法在其光束線站開展研究。

4、通過上述分析，現(xiàn)有技術存在的問題及缺陷為：

5、目前激光焊接熔池/小孔的觀測采用透明玻璃與金屬材料對接，然后采用高速攝像進行拍攝。該方法由于使用玻璃等透明材料與實際激光深熔焊接金屬材料的物理過程差異過大，且很難觀測到熔池小孔壁面微結構演變，其結論僅能為實際激光深熔焊接機理提供有限參考，缺乏真實可靠性。

6、現(xiàn)有的激光焊接裝置的控制模塊會受到高能同步輻射光源的影響而失效；且無法處理激光焊接產(chǎn)生的煙塵，對原位環(huán)境造成影響。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于高能同步輻射技術的萬瓦級激光焊接原位觀測裝置。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于高能同步輻射技術的萬瓦級激光焊接原位觀測裝置包括：

3、激光器，其與所述入射光纖連接，用于產(chǎn)生激光；

4、底座，其包括水平位移機構、升降臺和裝夾結構，所述裝夾機構固定待焊樣件，所述升降臺支撐板與所述裝夾機構連接以調(diào)節(jié)待焊樣件在z方向的位置，所述升降臺的兩端分別連接至所述支撐板和所述底板，通過所述升降機構的伸縮能夠調(diào)節(jié)所述支撐板的高度；所述水平位移機構與所述升降機構支撐板連接，以調(diào)節(jié)在x方向或y方向的位置；

5、工件臺，其用于固定所述底座、龍門架和激光焊接頭；

6、反應罩，其能夠與所述工件臺拼合并共同圍出一個密閉空間，待焊樣件和底座處于所述密閉空間中，所述反應罩開設有管線入口、激光焊接觀測窗、高能x射線入射窗和高能x射線觀察窗，所述管線入口外接保護性氣體儲氣罐和壓縮空氣儲氣罐，所述管線入口能夠被所述光路系統(tǒng)的激光光纖穿過，；

7、高能x射線觀測系統(tǒng)，其包括高能x射線發(fā)生器、成像檢測器和紅外測溫設備，所述高能x射線發(fā)生器能夠向所述x射線入射窗發(fā)出高能x射線，高能x射線穿過焊接樣件后從所述x射線觀察窗穿出至所述成像檢測器，所述成像檢測器用于對高能x射線進行動態(tài)成像，所述紅外測溫設備穿過其中所述高能x射線觀察窗對焊接樣件進行測溫；

8、控制系統(tǒng)，所述升降機構和所述水平位移系統(tǒng)均電連接至所述控制系統(tǒng)并受其控制。

9、進一步，所述高能同步輻射技術的激光焊接原位觀測裝置還包括冷卻系統(tǒng)。

10、進一步，所述冷卻系統(tǒng)包括水冷機、入水管和出水管。

11、進一步，所述入水管的兩端以及所述出水管的兩端均分別連接至所述光路盒和所述水冷機，所述水冷機中的冷卻水通過所述入水管進入所述光路盒以進行換熱，升溫后的冷卻水通過所述出水管進入所述水冷機以重新冷卻。

12、進一步，所述裝夾機構包括裝夾座、第一安裝件、第二安裝件和兩塊夾板。

13、進一步，所述第一安裝件通過螺栓與所述升降機構固定連接，所述第一安裝件內(nèi)設有u型凹槽，兩塊所述夾板對待焊樣件夾持后能夠被放置在所述u型凹槽內(nèi)。

14、進一步，所述第二安裝件通過螺栓與所述第一安裝件固定連接且能夠將待焊樣件固定在所述凹槽內(nèi)。

15、進一步，所述高能同步輻射技術的激光焊接原位觀測裝置還包括水平位移機構，所述水平位移機構包括相互連接的x方向滑軌組件和y方向滑軌組件，所述升降機構與所述x方向滑軌組件或所述y方向滑軌組件連接；所述x方向滑軌組件驅動所述升降機構沿x方向移動，所述y方向滑軌組件驅動所述升降機構沿y方向移動。

16、進一步，所述升降機構具體為液壓推桿、電動推桿或剪叉頂升機構。

17、本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于高能同步輻射技術的萬瓦級激光焊接原位觀測裝置觀測方法包括：

18、s1，將待焊樣件固定于裝夾機構；

19、s2，將反應罩與工件臺拼合，使得待焊樣件被容置在相對密閉空間中；

20、s3,管線入口,調(diào)整水平位移機構使待焊樣件朝向激光射入方向；

21、s4，調(diào)整高能x射線發(fā)生器、成像檢測器和紅外測溫設備，使得高能x射線發(fā)生器朝向x射線入射窗，成像檢測器朝向x射線觀察窗，紅外測溫設備對準樣件側表面；

22、s5，啟動高能x射線發(fā)生器、成像檢測器和紅外測溫設備，開始記錄檢測數(shù)據(jù)；

23、s6，啟動保護氣、壓縮空氣和除塵設備；

24、s7，啟動萬瓦級高功率激光器，控制系統(tǒng)控制水平位移機構移動實現(xiàn)待焊樣件焊接；

25、s8，實驗結束，關閉萬瓦級高功率激光器，對成像檢測器測得的動態(tài)成像和紅外測溫設備測得的溫度數(shù)據(jù)進行分析。

26、結合上述的技術方案和解決的技術問題，本發(fā)明所要保護的技術方案所具備的優(yōu)點及積極效果為：

27、第一、本技術通過反應罩營造出一個相對封閉空間，通過除塵設備從頂部抽走激光焊接產(chǎn)生的上浮煙塵以達到保護原位環(huán)境要求；

28、本技術通過在工件臺上表面鋪設10mm厚的鉛板屏蔽層，防止高能x射線對工件臺內(nèi)部的控制模塊造成影響；

29、本技術反應罩設置有和高能x射線觀察窗，在進行激光焊接的同時能夠通過高能x射線觀測系統(tǒng)實時記錄焊接過程熔池與小孔的動態(tài)演變過程，從而能夠對萬瓦級激光焊接熔池、小孔進行更精確的觀測。

30、本技術高能x射線入射窗和觀察窗的尺寸既能保證最大x射線尺寸范圍，又能減少激光焊接產(chǎn)生的煙塵外逸。

31、本技術在激光焊接過程中保持焊接頭位置不變，通過滑軌帶動工件運動的方式，從而能夠對萬瓦級激光焊接熔池、小孔進行更大范圍的觀測。

32、第二，本發(fā)明的技術方案填補了國內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術空白：

33、本發(fā)明的基于高能同步輻射技術的萬瓦級激光焊接原位觀測裝置通過實時、高分辨率成像，實現(xiàn)了對激光焊接過程熔池、小孔動態(tài)行為的精確監(jiān)控和分析，突破了傳統(tǒng)方法無法真實原位地觀察焊接材料內(nèi)部動態(tài)的技術局限。該裝置填補了國內(nèi)外在深熔焊接過程原位觀測領域的技術空白，將為探明激光焊接缺陷形成機理、焊接質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化提供了全新解決思路。

34、本發(fā)明的技術方案解決了人們一直渴望解決、但始終未能獲得成功的技術難題：本發(fā)明的原位觀測裝置成功解決了長期困擾業(yè)內(nèi)的技術難題，實現(xiàn)了對激光焊接過程中熔池小孔及其壁面微結構的清晰、實時觀測。傳統(tǒng)觀測方法難以獲取這些關鍵細節(jié)，限制了對缺陷形成機理、工藝優(yōu)化的研究。本發(fā)明通過高分辨率同步輻射成像技術，首次精確捕捉并分析了熔池內(nèi)部的動態(tài)變化細節(jié)，填補了這一關鍵技術空白。

35、本發(fā)明的技術方案克服了技術偏見：本發(fā)明的技術方案克服了傳統(tǒng)觀測方法中存在的技術偏見，特別是在激光焊接過程中難以通過真實材料、實時原位獲取熔池/小孔內(nèi)部微結構和動態(tài)變化的偏見。通過采用高能同步輻射成像技術，該裝置突破了過去對焊接過程監(jiān)測局限于表面或低分辨率觀測的誤解，實現(xiàn)了對焊接全過程的精確、深度觀測。這一技術革新打破了傳統(tǒng)觀點，顯著提升了焊接工藝的機理研究與應用水平。

36、第三，本發(fā)明的技術方案在產(chǎn)業(yè)應用中解決了現(xiàn)有技術中存在的幾個關鍵技術問題，并取得了顯著的技術進步，具體如下：

37、1.實現(xiàn)原位動態(tài)現(xiàn)場監(jiān)測：傳統(tǒng)激光焊接技術通常無法對焊接過程中的關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測。本發(fā)明通過高能x射線觀測系統(tǒng)的集成，使得焊接過程中的熔池形態(tài)、小孔壁面形貌等關鍵特征可以在焊接過程中被動態(tài)捕捉。與之配合的紅外測溫設備能夠實時監(jiān)控焊接溫度，通過多數(shù)據(jù)融合提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

38、2.適應復雜工業(yè)環(huán)境：現(xiàn)有技術在復雜工業(yè)環(huán)境中的應用往往受到外界空氣、灰塵等因素的干擾，導致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。本發(fā)明設計了反應罩700，能夠為待焊樣件900提供一個封閉的焊接環(huán)境，防止外界空氣和灰塵的影響。此外，配備的吸塵罩750和除塵設備1000可以及時排除焊接過程中產(chǎn)生的煙塵，進一步確保了焊接環(huán)境的潔凈度。

39、3.智能化控制和精準定位：本發(fā)明通過升降臺500和水平位移機構600的聯(lián)動，實現(xiàn)了待焊樣件900在焊接過程中的自動定位和精準移動。同時，控制系統(tǒng)和plc的集成使得焊接的每一個步驟，包括激光開關、焊接速度、軌道運動等均可以通過程序設定和遠程控制，減少了人工干預的誤差，提高了操作的智能化和自動化水平。

40、4.高效冷卻系統(tǒng)保障激光器穩(wěn)定性：傳統(tǒng)的激光焊接設備在長時間高功率工作時常常面臨過熱問題，影響焊接質(zhì)量和設備壽命。本發(fā)明采用了水冷系統(tǒng)300，對萬瓦級高功率激光器200進行有效冷卻，保證其在高強度工作狀態(tài)下仍能維持穩(wěn)定的狀態(tài)，延長了設備的使用壽命，并提高了焊接過程的持續(xù)工作能力。

41、5.多功能適應性：本發(fā)明的激光焊接裝置通過其模塊化的設計，能夠適應多種類型的工件焊接需求，既可以對金屬材料進行焊接，也能夠應用于復雜形狀的精密零件焊接。其高能x射線和紅外測溫系統(tǒng)的結合，使得該裝置在精密制造和高可靠性焊接領域具有廣泛的應用前景。

42、綜上所述，本發(fā)明在數(shù)據(jù)可靠性、環(huán)境適應性、智能化操作以及設備穩(wěn)定性方面都取得了顯著的技術進步，解決了現(xiàn)有技術中的多個關鍵問題，顯著提升了產(chǎn)業(yè)應用中的焊接水平和生產(chǎn)效率。