激光-電弧相互作用及激光-TIG復合焊接新工藝研究.pdf

1、激光-電弧復合焊接是將物理性質(zhì)、能量傳輸機制截然不同的兩種熱源復合于一體的先進焊接技術。激光電弧復合焊接能夠彌補單純激光焊接的不足，極大地增強工藝適應性，改善焊縫成形，提高接頭質(zhì)量。近年來，該技術在發(fā)達國家受到了廣泛關注并得到了積極的研究。激光與電弧的復合不是兩種熱源的簡單相加，深入研究激光-電弧的相互作用機理對深刻理解復合焊接過程，優(yōu)化焊接工藝具有重要意義。
　　 復合焊接時，激光輻照母材的熱效應及光致等離子體對激光-電弧相互

2、作用產(chǎn)生重要影響；同時電弧吸收激光能量后，導致局部電子密度及電子密度梯度升高，引起吸收和折射效應的進一步增強。本文首先在不考慮這些因素的條件下，以激光在等離子體中的傳播理論為基礎，通過經(jīng)典電子-離子碰撞理論，計算了電弧等離子體對入射激光的線性逆韌致吸收系數(shù)及折射率；在電子能量方程中引入逆韌致吸收項A(z)，根據(jù)最小電壓原理修正了激光作用電弧后的電弧電子能量方程。從理論上分析了激光作用電弧后，光束特性及電弧特性地變化趨勢，揭示了激光-電弧

3、相互作用時光束特性及電弧特性變化的物理機制及影響因素。
　　 隨后，采用3500W擴散冷卻CO2激光器、4000WYb:YAG盤片激光器、FroniusTS5000直流數(shù)字電源，借助高速攝像儀、瞬態(tài)光譜儀、光束光斑診斷儀及功率計，試驗研究了高功率聚焦激光束與TIG電弧相互作用時的光束特性和電弧特性的變化規(guī)律。試驗中為了避免激光作用母材時的熱效應，同時直接測量激光穿過電弧后的光束參量及電弧對激光能量的吸收率，采用聚焦光束垂直穿過直

4、流TIG電弧，焦點位于電弧軸線的布置方式；使用高速攝像儀拍攝了激光作用前后的電弧形態(tài)變化，瞬態(tài)光譜儀分別記錄電弧不同部位的局部光譜，通過對電弧局部位置的光譜分析，采用波爾茲曼圖法計算了電弧局部溫度，并根據(jù)Saha方程計算了電弧等離子體局部電子濃度。著重分析了激光功率、電弧電流、激光作用位置對激光能量傳輸率、光斑直徑、光束傳輸方向及電弧靜特性、電弧形態(tài)、電弧功率、電弧軸線溫度分布及電子數(shù)密度的影響規(guī)律；探討了激光作用電弧后，光束特性及電弧

5、特性發(fā)生變化的原因；研究了電弧氣氛、激光波長對相互作用的影響規(guī)律及作用機制。
　　 最后在激光-電弧相互作用研究的基礎上，針對薄板搭接、對接、T型接頭及厚壁對接開展了幾種激光-TIG填絲復合焊接新工藝研究。為克服填絲復合焊接的飛濺和焊接煙塵對聚焦鏡的污染，根據(jù)激光焊接時飛濺顆粒的運動狀態(tài)和運動規(guī)律，基于氣體動力學原理設計了超音速非對稱拉伐爾腔體結構的橫向氣簾噴嘴：對比激光填絲焊接，研究了激光-TIG填絲復合焊接的工藝特性、焊縫成