CO2激光+脈沖GMAW復合焊接等離子體行為及熔滴過渡控制研究.pdf

1、激光+脈沖GMAW復合焊（HLAW-P）可以獲得比激光焊更大的熔寬和比脈沖GMAW焊（GMAW-P）更大的熔深。但激光+脈沖GMAW復合焊在應用中存在兩個重要問題，即如何解決高速焊接過程中等離子體耦合的穩(wěn)定性和熔滴過渡形式的一致性。
　　在CO2激光+脈沖GMAW復合焊接過程中，激光等離子體會改變焊絲的熔化特性及熔滴的受力，影響熔滴過渡模式及過程穩(wěn)定性。為此解析該焊接過程熔滴的受熱及受力，優(yōu)化控制熔滴過渡模式，為設計復合焊接過程專

2、用焊機或離線參數數據庫確立理論基礎，建立CO2激光+脈沖GMAW復合焊“一脈一滴”的熔滴過渡控制模型是亟需解決的問題。此外，GMAW-P的電流輸出不斷地在峰值階段、過渡階段及基值階段周期性切換，在各種不同狀態(tài)交替變化中，等離子體的物理特征也隨之發(fā)生了變化，所以了解不同狀態(tài)下電弧等離子體與激光等離子體的耦合機理，解析復合以后的傳質與傳熱過程，實現能量傳輸效率的提高也是CO2激光+脈沖GMAW復合焊研究的重要任務之一。
　　本文搭建了

3、同步LabVIEW電信號分析系統(tǒng)、高速攝影圖像采集分析系統(tǒng)、光譜分析系統(tǒng)，通過將大功率CO2激光與脈沖GMAW電弧進行復合，研究了CO2激光+脈沖GMAW復合焊等離子體的動態(tài)行為，熔滴過渡模式，電信號特征，等離子體空間溫度和電子密度變化規(guī)律。對 CO2激光熱源與 GMAW-P熱源在不同狀態(tài)、不同工藝條件下的耦合機理進行了深入研究，主要研究成果如下：
　　1）基于傅里葉變換算法提取了CO2激光+脈沖GMAW復合焊峰值時刻等離子體特征

4、譜線的Stark展寬，基于Stark展寬理論計算了峰值時刻的電子密度，依據“LTE臨界電子密度判據”分析了CO2激光+脈沖GMAW復合焊峰值時刻等離子體的熱力學狀態(tài)，結果顯示，由于受焊絲端部金屬蒸汽和匙孔噴射金屬蒸汽的影響，CO2激光+脈沖GMAW復合焊接等離子體的臨界電子密度值降低，等離子體滿足局部熱力學平衡（LTE）條件。在滿足局部熱力學平衡的條件下，基于Boltzmann作圖法計算了CO2激光+脈沖GMAW復合焊接等離子體的空間溫

5、度分布。
　　2）研究了激光等離子體與脈沖GMAW等離子體的耦合機理。采用高速攝影系統(tǒng)觀察了CO2激光+脈沖GMAW復合焊接不同階段等離子體形態(tài)變化規(guī)律，從等離子體內粒子數密度變化和粒子所受運動驅動力兩個方面分析了 CO2激光+脈沖GMAW復合焊等離子形態(tài)的動態(tài)變化行為。結果顯示，在脈沖GMAW電流從基值向峰值轉變階段，由于焊絲端部熔化金屬擴散產生大量的金屬蒸汽，導致等離子體內粒子數密度急劇增大，此時電弧提供的電磁力和電場力較小，

6、對粒子運動驅動力較弱，所以激光等離子體的高度在整個脈沖周期內最大；在峰值時刻，大電流產生很大的電磁力、電場力及電弧等離子流力，在電場力和電磁力作用下，電離的粒子會被推離匙孔，激光等離子體的高度在整個脈沖周期內最低；在過渡時刻及基值時刻，激光等離子體高度處于兩個狀態(tài)之間。在峰值時刻，等離子流效應（Plasma jet effect）決定了電弧等離子體的運動軌跡，電弧從焊絲端部指向工件；在過渡時刻及基值時刻，由于激光等離子體提供了大量自由電

7、子，電荷流效應（Electron nature path effect）決定了電弧等離子體的運動軌跡，電弧等離子體會偏向激光等離子體。
　　3）采用光譜分析系統(tǒng)對峰值時刻不同空間位置特征譜線強度分布進行了比較，研究結果顯示，電弧中心的Fe和Ar的特征譜線都要強于激光中心，兩區(qū)域Fe譜線的強度差要大于Ar譜線的強度差。
　　4）基于Stark展寬法計算了空間電子密度分布，基于Boltzmann作圖法計算了空間溫度分布?；贐e

8、er-Lambert吸收定律計算了激光能量的傳輸效率，結果發(fā)現，CO2激光+脈沖GMAW復合焊接過程中的電子數密度是純激光的3倍左右，等離子體內電子密度和粒子數密度的增加，使得激光的傳輸效率從純激光焊的94.16％降低到了CO2激光+脈沖GMAW復合焊的85.84%。
　　5)建立了CO2激光+脈沖GMAW復合焊熔滴受力模型，分析了作用于熔滴上不同力對熔滴過渡的影響。在CO2激光+脈沖GMAW復合焊接過程中由于受匙孔噴射激光等離子

9、體的影響，熔滴過渡會受到金屬蒸汽反作用力的阻礙。同時，激光等離子體會改變電弧等離子體的形態(tài)，使得電磁力的方向發(fā)生變化，產生阻礙熔滴過渡的分量。論文結合電弧等離子形態(tài)分析給出了一種 CO2激光+脈沖GMAW復合焊接過程中重新實現“一脈一滴”熔滴過渡的控制方法：為了在CO2激光+脈沖GMAW復合焊接過程中獲取“一脈一滴”(ODPP)的熔滴過渡模式，需要降低電壓以減小弧長，讓電弧形態(tài)在峰值時刻更加發(fā)散，增加電磁力沿焊絲軸向的分量，同時，需要增

10、加峰值時間促進熔滴過渡。
　　6）研究了不同熱源引導模式下的等離子體動態(tài)行為、熔滴過渡模式、熔池流動、空間溫度及電子密度分布形式的變化規(guī)律。研究結果發(fā)現，在電弧引導（Arc-leading）模式下電弧等離子體偏向激光匙孔的現象更加明顯，空間電子密度及溫度呈―雙峰‖分布，熔池形態(tài)呈―雙橢圓連接‖狀；在激光引導（Laser-leading）模式下電弧等離子體更加發(fā)散，在電弧中心區(qū)域的溫度和電子密度要略高于Arc-leading模式，且

11、―雙峰‖分布趨勢不明顯，熔池形態(tài)呈整體―子彈頭‖狀。此外， Laser-leading模式較 Arc-leading模式弧長更短，更容易實現熔滴過渡。對于在Arc-leading模式下為“一脈一滴”的脈沖參數，在Laser-leading模式下會出現“一脈多滴”的過渡現象。
　　7)研究了不同氣體成分配比下的等離子體行為及熔滴過渡模式。研究結果發(fā)現,在 CO2激光+脈沖GMAW復合焊中，隨著保護氣體中He含量的增加電弧弧長會變短，

12、峰值時刻的電弧電壓會下降而基值時刻的電弧電壓會增高；同時，He含量的增加會增加熔滴的形成時間，熔滴尺寸會變大，熔滴質心會出現滴偏離軸線的現象，熔滴容易飛離熔池，導致焊接過程中飛濺量增加。
　　8）在 CO2激光+脈沖GMAW復合焊中，熱源間距、激光功率和焊接速度會影響等離子體動態(tài)行為及熔滴過渡模式。高功率激光和小熱源間距會導致脈沖GMAW基值時刻電弧電壓降低，峰值時刻電弧電壓上升;激光等離子體會隨著激光功率和熱源間距變化直接影響電