基于鎂合金焊接的小功率脈沖激光誘導(dǎo)增強(qiáng)電弧放電機(jī)制研究.pdf

1、小功率脈沖激光-電弧復(fù)合熱源具有焊接能耗低、焊接質(zhì)量好以及焊接效率高等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力，是焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。小功率脈沖激光-電弧復(fù)合熱源優(yōu)異的焊接特性來(lái)源于激光和電弧等離子體之間的協(xié)同和相互增強(qiáng)效應(yīng)。對(duì)焊接過(guò)程中激光和電弧等離子體相互作用的物理機(jī)制和物理過(guò)程的研究有利于促進(jìn)小功率脈沖激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本論文以小功率脈沖式激光-電弧復(fù)合熱源焊接鎂合金過(guò)程為研究對(duì)象，以激光在材料表面形成的

2、“匙孔”為切入點(diǎn)，研究電弧等離子體與“匙孔”等離子體相互作用過(guò)程中的粒子質(zhì)量遷移和能量傳遞過(guò)程，通過(guò)不同參數(shù)下復(fù)合熱源熔化能力、等離子體行為和放電狀態(tài)、等離子體中原子遷移行為以及“匙孔”動(dòng)態(tài)行為的綜合研究，揭示“匙孔”等離子體在激光與電弧能量耦合過(guò)程中的作用機(jī)制，并最終將研究結(jié)果應(yīng)用于復(fù)合熱源鎂合金薄板高速焊接工藝，以明確相關(guān)機(jī)制在不同條件下的適用性。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)小功率脈沖激光與電弧相互作用的增強(qiáng)現(xiàn)象研

3、究。本部分綜合考察了復(fù)合熱源對(duì)材料作用的效果、等離子體的行為和放電狀態(tài)、等離子體的光譜信息，研究了小功率脈沖激光對(duì)電弧等離子體的增強(qiáng)現(xiàn)象。結(jié)果表明:激光對(duì)電弧等離子體的增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在激光-材料-電弧等離子體三者之間的相互作用過(guò)程中;在相同的熱輸入條件下，熱源間距對(duì)復(fù)合熱源熔化能力影響很大;焊接參數(shù)、復(fù)合熱源狀態(tài)以及焊接現(xiàn)象間存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，不同參數(shù)條件下，在復(fù)合熱源熔化深度最大時(shí)，等離子體均呈現(xiàn)復(fù)合型形態(tài)、等離子體中鎂原子譜線強(qiáng)度升高，同

4、時(shí)電子溫度降低、電子密度升高。
　　(2)小功率脈沖激光與電弧相互作用的延遲現(xiàn)象研究。通過(guò)考察激光脈沖作用時(shí)電弧等離子體中鎂原子的遷移行為和“匙孔”的閉合行為，研究了小功率脈沖激光與TIG電弧相互作用的延遲現(xiàn)象。結(jié)果表明:激光脈沖作用消失后，電弧等離子體中鎂原子和氬原子濃度不能立刻恢復(fù)至激光脈沖作用之前的狀態(tài)，而是存在數(shù)毫秒的延遲，電弧狀態(tài)的延遲恢復(fù)是“匙孔”等離子體對(duì)電弧等離子體持續(xù)供給鎂原子的結(jié)果;電弧等離子體與“匙孔”等離子

5、體之間的相互作用對(duì)“匙孔”出口形態(tài)和閉合時(shí)間產(chǎn)生較大影響，激光脈沖作用消失后“匙孔”未立刻閉合，相同條件下電弧電流越小，“匙孔”出口形態(tài)越規(guī)則，閉合所需時(shí)間越長(zhǎng)。
　　(3)小功率脈沖激光誘導(dǎo)增強(qiáng)電弧等離子體放電的物理機(jī)制和物理過(guò)程。①根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析，提出了小功率脈沖激光誘導(dǎo)增強(qiáng)電弧等離子體放電的物理機(jī)制:小功率脈沖激光誘導(dǎo)增強(qiáng)電弧等離子體放電的本質(zhì)在于激光脈沖形成的“匙孔”等離子體與電弧等離子體之間的耦合放電。耦合放電發(fā)

6、生時(shí)，“匙孔”等離子體與電弧等離子體連接，并與電弧等離子體形成復(fù)合放電等離子體，“匙孔”等離子體和電弧等離子體之間存在粒子質(zhì)量的交換和能量的傳遞;耦合放電具有延遲特性。②根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了復(fù)合熱源主要參數(shù)之間、參數(shù)與耦合放電之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，并提出了實(shí)現(xiàn)電弧等離子體和“匙孔”等離子體之間耦合放電的參數(shù)優(yōu)化判據(jù)和優(yōu)化方法，即通過(guò)激光功率、電弧電流以及焊接速度確定激光和電弧相互耦合的最佳條件。③分析了小功率脈沖激光誘導(dǎo)增強(qiáng)電弧等離子體放電

7、的物理過(guò)程:耦合放電發(fā)生時(shí)，“匙孔”內(nèi)高溫、高密度的帶電粒子使處于“匙孔”內(nèi)部的復(fù)合等離子體具有更高的電導(dǎo)率，提高了能量傳輸密度;“匙孔”內(nèi)部的復(fù)合等離子體更接近局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)，電子和重粒子之間通過(guò)碰撞傳遞能量的效率大幅提高;耦合放電促使“匙孔”等離子體中的帶電粒子從電弧電場(chǎng)中獲得額外能量并用于熔化材料，獲得能量的數(shù)值取決于“匙孔”等離子體自身的密度和“匙孔”深度;激光脈沖作用消失后，耦合放電的延遲效應(yīng)使激光對(duì)電弧等離子體的增強(qiáng)效果

8、仍可持續(xù)一定時(shí)間。因此，伴隨著耦合放電發(fā)生的上述物理過(guò)程改變了電弧等離子體的放電狀態(tài)，提高了電弧等離子體的能量密度，以及復(fù)合熱源的焊接能力和焊接效率。
　　(4)等離子體之間耦合放電機(jī)制在鎂合金高速焊接過(guò)程中的應(yīng)用研究。利用激光誘導(dǎo)增強(qiáng)電弧放電的參數(shù)優(yōu)化方法精確選擇并調(diào)整激光功率、電弧電流和熱源間距，得到最佳的激光和電弧的復(fù)合狀態(tài)，開(kāi)發(fā)了小功率脈沖激光+TIG電弧鎂合金薄板高速對(duì)接焊技術(shù)。采用平均功率為700 W的脈沖式激光與23