激光-電弧相互作用及激光-TIG復(fù)合焊接新工藝研究.pdf

1、激光-電弧復(fù)合焊接是將物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的兩種熱源復(fù)合于一體的先進(jìn)焊接技術(shù)。激光電弧復(fù)合焊接能夠彌補(bǔ)單純激光焊接的不足，極大地增強(qiáng)工藝適應(yīng)性，改善焊縫成形，提高接頭質(zhì)量。近年來(lái)，該技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家受到了廣泛關(guān)注并得到了積極的研究。激光與電弧的復(fù)合不是兩種熱源的簡(jiǎn)單相加，深入研究激光-電弧的相互作用機(jī)理對(duì)深刻理解復(fù)合焊接過(guò)程，優(yōu)化焊接工藝具有重要意義。
　　 復(fù)合焊接時(shí)，激光輻照母材的熱效應(yīng)及光致等離子體對(duì)激光-電弧相互

2、作用產(chǎn)生重要影響；同時(shí)電弧吸收激光能量后，導(dǎo)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(yīng)的進(jìn)一步增強(qiáng)。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(chǔ)，通過(guò)經(jīng)典電子-離子碰撞理論，計(jì)算了電弧等離子體對(duì)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(xiàng)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(shì)，揭示了激光-電弧

3、相互作用時(shí)光束特性及電弧特性變化的物理機(jī)制及影響因素。
　　 隨后，采用3500W擴(kuò)散冷卻CO2激光器、4000WYb:YAG盤(pán)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(jì)，試驗(yàn)研究了高功率聚焦激光束與TIG電弧相互作用時(shí)的光束特性和電弧特性的變化規(guī)律。試驗(yàn)中為了避免激光作用母材時(shí)的熱效應(yīng)，同時(shí)直接測(cè)量激光穿過(guò)電弧后的光束參量及電弧對(duì)激光能量的吸收率，采用聚焦光束垂直穿過(guò)直

4、流TIG電弧，焦點(diǎn)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(guò)對(duì)電弧局部位置的光譜分析，采用波爾茲曼圖法計(jì)算了電弧局部溫度，并根據(jù)Saha方程計(jì)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(duì)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(zhǎng)對(duì)相互作用的影響規(guī)律及作用機(jī)制。
　　 最后在激光-電弧相互作用研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)薄板搭接、對(duì)接、T型接頭及厚壁對(duì)接開(kāi)展了幾種激光-TIG填絲復(fù)合焊接新工藝研究。為克服填絲復(fù)合焊接的飛濺和焊接煙塵對(duì)聚焦鏡的污染，根據(jù)激光焊接時(shí)飛濺顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于氣體動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)了超音速非對(duì)稱(chēng)拉伐爾腔體結(jié)構(gòu)的橫向氣簾噴嘴：對(duì)比激光填絲焊接，研究了激光-TIG填絲復(fù)合焊接的工藝特性、焊縫成