（光学工程专业论文）COlt2gt激光与TIG电弧相互作用研究.pdf

摘要 摘要 激光电弧复合焊接是一种先进的连接技术，它在改善桥接作用的同时，增 加了焊接的速度和熔深，降低了材料对激光的反射，使两种热源均得到有效利用， 因此与传统焊接方法比较具有较大的工业应用优势。激光与电弧的复合不是两 种热源的简单相加，对其相互作用机理的研究和理解，有助于从本质上掌握该种 复合工艺，这也是目前国内外研究的内容和重点所在。 本文采用r o f i nd c 0 3 5s 1 a bc 0 2 激光加工系统、f r o n i u st s 5 0 0 0 数字电焊机、 p h o t r o nf a s t c a m10 2 4 r 2 彩色高速摄像仪、p ia c t o nr e s e a r c hs p e c t r ap r o2 5 0 0 i 瞬态光谱仪、p r o m e t e cu f f l 0 0 光束光斑质量诊断仪及m o l e c t r o n3 s i g m a 功率计， 对c 0 2 激光与t i g 电弧的相互作用及影响进行了定量研究，总结归纳了c 0 2 激 光与t i g 电弧作用的一般规律。 首先对c 0 2 激光在直流t i g 电弧中的能量衰减及传输形态进行了实验研究。 结果显示：电弧对c 0 2 激光能量存在逆韧致吸收，吸收比率与激光在电弧中传 输距离及电弧本身的吸收系数成正比；电流越大，激光作用位置越靠近阳极，电 弧吸收越多。电弧对激光存在“负透镜效应”，使得穿过电弧后光束半径发生变 化，电弧引起光束传输方向向阴极偏折，且当光束在电弧中传输距离较大时，上 述作用均变得更加明显。 其次研究了c 0 2 激光对t i g 电弧特性的影响。实验结果表明：激光引起电 弧电弧静特性曲线下移，且激光功率越大，静特性曲线下移幅度越大，当电弧电 流较小或作用位置靠近电弧阴极时，受激光作用电压降低较多。激光作用引起电 弧形态变化，导致激光作用位置到阳极之问区域的体积膨胀。同时当激光功率增 大到1 0 0 0 w 时产生了激光支持的燃烧波，激光功率越大，燃烧波体积越大，且 上升高度增加，传播速度加快，燃烧频率降低。 最后，利用光谱仪对c 0 2 激光t i g 电弧相互作用进行了光谱分析。结果表 明，激光作用电弧后仍只存在一次电离，特征谱线中主要为氩的一次电离离子谱 线和原子谱线。5 0 0 w 激光作用电弧后，注入电弧的总能量升高，且激光作用位 置越靠近阳极，总能量升高越多。从而电弧的平均温度、电离度、电子密度得到 了提高。电弧辐射强度与注入电弧的总功率成正比，随作用位置向阳极的靠近及 激光功率的增加，辐射增强。当激光功率大于等于1 0 0 0 w 时产生激光支持的燃 烧波，激光与电弧相互作用系统处于动态平衡状态。 关键词激光焊接；复合焊；t i g 电弧：等离子体；光谱分析 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gi so n eo ft h ea d v a n c e dj o i n i n gt e c h n i q u e s ，w h i c h i m p r o v e sl a s e r sg a pb r i d g i n ga b i l i t y , i n c r e a s e st h ew e l d i n gs p e e da n dm e l t i n gd e p t h ， r e d u c e sm a t e r i a l sr e f l e c t i o nt h a tm a k e st h et w oh e a ts o u r c e sb e i n gu s e dm o r e s u f f i c i e n t l y t h et e c h n i q u e h o l d sg r e a ts u p e r i o r i t yd u r i n gi n d u s t r yf a b r i c a t i o ni n c o n t r a s tw i t ht h et r a d i t i o n a lw e l d i n gm e t h o d s t h eh y b r i do fl a s e ra n da r ci sn o ti u s ta p l u s ，s ot h ei n v e s t i g a t i o na n dc o m p r e h e n s i o no ft h et w oh e a t i n gs o u r c e si n t e r a c t i o n h e l p st h em a s t e r yo ft h ej o i n i n gm e t h o de s s e n t i a l l y u pt on o wt h eh y b r i dm e c h a n i s m i st h ec o n t e n ta n dp o i n to ft h es t u d yi n t e m a t i o n a l l y i nt h i st h e s i s ，c 0 2l a s e ra n dt i ga r ci n t e r a c t i o nw a ss t u d i e df r o mm a n ya s p e c t s ， t h ei n s t r u m e n ti nu s ew e r e ：r o f i nd c 0 3 5s l a bc 0 2m a c h i n i n gs y s t e m ，f r o n i u s t $ 5 0 0 0e l e c t r i cw e l d i n gm a c h i n e ，p h o t r o nl0 2 4 r 2c o l o rf a s tc a m e r a ，p ia c t o n r e s e a r c hs p e c t r ap r o2 5 0 0 is p e c t r o m e t e r , p r o m e t e cu f f 10 0b e a md i a g n o s i sa n dt h e m o l e c t r o n3s i g m al a s e rp o w e rm e t e r b yu s i n gt h e m ，t h ei n t e r a c t i o no fc 0 2l a s e ra n d t i ga r cw a ss t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y , a n dt h e i rr u l e sw e r eg e n e r a l i z e d f i r s to fa l l ，t h ec 0 2l a s e rp o w e ra t t e n u a t i o na n dt r a n s m i tc o n f i g u r a t i o nd u r i n g t i ga r cw a ss t u d i e d r e s u i t ss h o w e d ：a r ca b s o r b e dt h el a s e re n e r g yb yi n v e r s e b r e m s s t r a h l u n g ( i b ) m e c h a n i s m ，t h er a t i ow a si np r o p o r t i o nt ol a s e r st r a n s m i t d i s t a n c ei na r ca n dt h ea b s o r p t i o nt o e f f i c i e n to fa r ci t s e l f ；w h i l et h ec u r r e n ti n c r e a s e d o rl a s e r si n c i d e n tp o s i t i o nw a sn e a r e rt ot h ea n o d et h ea b s o r bw o u l di n c r e a s e t h e r e w a st h e “n e g a t i v el e n se f f e c t ”e x i s t w h i c hm a d et h eb e a md i a m e t e rc h a n g ea f t e r t r a n s m i tt h r o u g ha r c a n dt h ed i r e c t i o nw a sd e f l e c t e dt ot h ec a t h o d e 、e nt h e i n c i d e n c ew a sn e a ra n o d e t h ee f f e c tm e n t i o n e da b o v ew a sm o r eo b v i o u s s e c o n d l yt h ee f f e c to ft h ec 0 21 a s e ro nc h a r a c t e r i s t i c so fad ct i ga r cw a s i n v e s t i g a t e d e x p e f i m e n t f lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h el a s e r - a r ci n t e r a c t i o nc a u s e d t h ec u r v eo fa r cs t a t i cc h a r a c t e r i s t i cs h i rd o w n w a r d s a n dw o u l db em o r ef o rh i g h e r l a s e rp o w e r t h el o w e rt h ea r cc u r r e n tw a sa n dt h en e a r e rt h el a s e rb e a ml o c a t e dt ot h e c a t h o d e ，t h em o r et h ea r cv o l t a g ed e c r e a s e d t h ea r cc o l u m ne x p a n d e db e c a u s eo f l a s e ra n da “l a s e rs u p p o r t e dc o m b u s t i o nw a v e ( l s c w ) ”a p p e a r e dw h e nl a s e rp o w e r w a s10 0 0 wa n dm o r e nl a s e rp o w e ri n c r e a s e dt h el s c wv o l u m eb e c a m el a r g e r , t h eg ou ph e i g h tw a sm o r e ，t h ev e l o c i t yw a sf a s t e ra n dt h ef r e q u e n c yw o u l dg od o w n l o w e r a tl a s t ，s p e c t r a la n a l y s i so fl a s e r - a r ci n t e r a c t i o nw a sm a d eu s i n g s p e c t r a lm e t e r t h er e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h e r ew a so n l ys t i l lt h ef i r s ti o n i z a t i o ni na r ca f t e rl a s e r s i n c i d e n c e t h et y p i c a ll i n e sw e r em a i n l yt h ef i r s ti o n i z a t i o nl i n eo fa n da r g o ng a sa n d i t sa t o mt y p i c a ll i n e s l a s e r si n c i d e n c ew i t l l5 0 0 we n e r g ym a d et h ea r ct o t a lp o w e r e l e v a t e d ，a n db em u c hm o r ef o ri n c i d e n c ep o s i t i o nw a sn e a r e rt oa n o d e w h i l el a s e r i i i l o c a t e dn e a r e rt h ea n o d et h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo f a r cb e c a m eh i g h e r , i o n i z a t i o nr a t e ， a n d a v e r a g ee l e c t r o nd e n s i t yb e c a m ei n c r e a s e dt o o a r c sr a d i a n ti n t e n s i t yh a dad i r e c t p r o p o r t i o nt ot h et o t a la r cp o w e r , a n dt h er a d i a n ti n t e n s i t yb e c a m es t r o n g e rf o rl a s e r l o c a t i n gn e a ra n o d e w h e nl a s e rp o w e rw a sm o r et h a ni0 0 0 w , t h el s c wa p p e a r e d ， a n dt h ei n t e r a c t i o ns y s t e mw a s i nas t a t eo fh o m e o s t a s i s k e yw o r d s l a s e rw e l d i n g ；h y b r i dw e l d i n g ；t i ga r c ；p l a s m a ；s p e c t r a la n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名日期：金鲤量d 7 i 1 研究背景及现状 第一章绪论 激光电弧复合焊接技术是一种综合了激光与电弧各a 特点的先进连接技 术。它始于2 0 世纪7 0 年代末，由英国伦敦帝幽大学焊接专家w i l l i a ms t e e n 首 先提出，并尝试利用小功率c 0 2 激光束与t i g 电弧复合分别在板材的同面和片 咖进行焊接和切割，对电弧电流、电雎进行了对比测量。结果显示，激光作用电 弧后使之电流增大，电压降低，并将电弧吸引至激光作用扳材位置，如图1 1 ， 电弧的稳定性及焊接速度均得到了提高，焊缝成形兼具激光焊与电弧焊的特点。 图i - 1 电瓶弧根落脚十激光诱导的等离子体”1 f i 9 1 1t h e m r o o t i n g d o w n t h e l a s e r i n d u c e dp l a s m a 由于激光电弧复合焊提高了焊接速度和熔深的同时，增加了激光的桥接能 力，电弧的引入降低了板材对激光的反射率，焊接过程更加稳定，电弧能量得到 充分利用因此复合焊技术具有较大的工业应用优势，此外激光器及电弧热源的 多样性也拓宽了复合焊的应用对象及领域。德国的生产工程与焊接技术研究所在 开姆尼斯( c h e m n i t z ) 一所工业大学调查显示，有6 5 的被调查人表示激光一电 弧复合焊接技术在未来的联合加】：中具有举足轻重的位置并认为激光与m 1 g 的复合最具潜力。尽管如此激光电弧复合焊接自提出以来直到上世纪九十年代 才微广泛关注，并在北美、日本、德国、英国等研究机构开展了应用性研究和工 业化探索，成为国际焊接界关注的焦点【2 1 。目前国内的哈尔滨工业大学p j 、清华 大学hj 、大连理工大学郾】等研究机构针对该技术进行了机理的研究和规律的摸 索，获得了一定指导性结论。 111 激光一电弧复合焊的优势特点 单纯的激光焊接，具有速度高、线能量小、焊缝深宽比大等优点，但由于对 n 求in 学删i 学何m 0 坡【】的加a 度嘤求较高，及刑商反劓捌料焊接用雕等特 j ：k 制丫其存更多h 【k 领域的应用。激光一电弧复合焊接足综合了激光与i b 弧焊接并白的特r - f u 发艟起 米的。 e 弧n c j 引八提高激光焊接的桥接作用，降低司隙的敏感度，儿有更好的柔 性、适应件电弧的存存降低了金属材料时激光的反匀牢增加丁材料对光束能 量的吸收，减小了单纯激光焊时激光蒸发屯离板材所需要的热传导坝失，对高反 射材料具确好的焊接效粜i ；此外激光可使电弧稳定、定位丁激光作用伶置处， 屯弧能量得到了充分利川，电弧稳定性得到r 提高口j ，同时焊接的熔深和速度均 得到提r ：；，如罔1 2 、图1 3 所小。在宴际的加工中，方而我们i - ，以通过改变 激光j 电弧的能量比率，宜现单纯的馓光焊剑f u 弧焊的过渡，另断u r 以改变激 光波长或l l 弧焊类型，以小同的复合方式适成卫多的加i 一要求。 可可 ， 鬟一。： ( a ) h y b r i dw c l d l n g ；( b ) l “e r w e l d i n g ；( c ) a r cw e l d i n g a l a f c s e c r o u i p n l u t l 3 0 k 0 a w w e l d i n gs p e e din v m i n i 纠1 2 不同抖接方式的焊缝1 面 1 i f i 9 1 2c r o s ss e c t i o na n ds e a ma p p e a r a l l c e i nd i f f e l em l t w e l d l n gp r o c e s s 【2 l 01 03 04 05 06 0 p l c m n i f l i 划1 3 等离子体i u 弧i b 流，焊接速度之间的关系【9 j 叫恻3 1 l p b 。阚8 r w r e e n 删t a n d 】w e l d j l l g s p 。d s 3 1 “) b 。 w ej d s 。 从经济南面考虑，相较于激光焊接激光一一电弧复台焊接更加经济：首先从 ；e售e一口004s2； 第一章绪论 投资上看，一般激光器的工作效率不是很高，以3 来计算，如果作用在工件上 的激光束能量每降低l k w ，则在激光器上降低的能耗接近3 5 k v a 。在欧洲，每 增加1 k w 的激光功率大约需要1 0 万欧元，如果能用3k w 的激光器代替4k w 的激光器，投资就可以节省l o 万欧元。考虑增加电弧焊电源和激光焊头所需的 费用4 万欧元。可见复合焊比单纯的激光焊在设备投资上就节省了6 万欧元。在 后期的加工耗费上，以焊接2 m m 厚钢板来对比复合焊和m i g m a g 焊接。复合 焊是m i g m a g 焊接速度的6 倍；在相同的时间前提下，复合焊的保护气使用是 m i g m a g 的i 3 ；在激光与m i g m a g 复合的情况下，用丝量比单纯的m i g m a g 要少。综合上述几点因素，在焊接一米材料的情况下，激光电弧复合焊需要耗材 1 2 欧元，而m i g m a g 焊却需要1 8 欧元。还有调查研究发现，虽然激光电弧 复合焊接具有很好的桥接能力，但只有在间隙为0 3 o 5 m m 的情况下才实现最大 的速度和生产效益。这种复合焊接技术在工业中的应用，在一定程度上可以取代 原始的手工气体保护焊，使焊接工程机械化，缩短焊接工时，提高一次焊接成功 率。一系列经济性和实用性的优势，使得激光电弧复合焊接技术在工业上得到 了广泛的应用【l 。 1 1 2 激光电弧复合焊的工业应用 由于激光电弧复合焊接的效率较高，可以使设备投资很快回笼，经济和技术 优势使得其广泛应用于汽车工业、造船业、石油化工油罐、管道连接f 1 2 j 等行业中。 目前它作为一种先进的连接技术已在美国、德国、日本等发达国家先后进入了工 业化应用阶段，各机构之间也开展了大量的合作研究。例如美国海军连接中心 ( n j c n a v yj o i n i n gc e n t e r ) 与爱迪生焊接研究所( e w i - - e d i s o nw e l d i n g i n s t i t u t e ) 、德国迈尔造船厂( m e y e r - w e r f t ) 以及德国的亚琛大学( a a c h e nu n i v e r s i t y ) 合作开展了“船体结构复合热源焊接的研究”【1 1 1 ，实现了船体平板及加强筋的连 接，同时对铝合金的焊接具有较好的效果，减少了气孔的产生和熔池的塌陷，如 图1 - 4 所示。在美国的“y a g 管道”输运管道连接项目中，德国f r u a n h o f e r 研究所 研制了激光m i g 电弧复合热源焊接储油罐焊接系统，美国宾夕法尼亚州应用研 究实验室( a r e ) 和钢铁造船公司( n a s s c o ) 联合设计组建了管道复合焊接系统 1 1 3 。在汽车制造业中复合焊的应用比例也不断加大，以德国大众高档新款车v w p h a e t o n 的车门为例：车门的焊缝总长4 9 8 0 m m ，现在的工艺是7 条m i g 焊缝( 总 长3 8 0 r a m ) ，1 l 条激光焊缝( 总长1 0 3 0 m m ) ，4 8 条激光m i g 复合焊缝( 总长 3 5 7 0 m m ) 。除此外激光复合焊同样用于新型奥迪a 8 汽车的生产，在a u d ia 8 侧 顶梁上有各种规格和型式的接头，就是采用激光复合焊工艺，焊缝共计4 5 m 长 【1 4 】。 削1 4c o ，激光与g m a 复彳 焊接船件、p 板及加强筋j f i g i - 4c 0 2 - ia s e r - g m a h y b ir d w e l d i n g f r o mp a n e l sa r i ds t i f f e n e r sa ts h i p y a r d “m e y e r w e r f t ”i np a p e n b ur g ，g e r m a n y u l 激光一电弧复合焊的 ：_ 、l k 需求还带动了复合方式的发展，同轴及旁轴的复合焊 接接头已在力t i i 得到实际应用。其一”幽外从事该方丽研究的主篮有德国的 f r u a n h o f e r 馓光技术研究院( l t ) 、英国的i w i ，乌克兰的p a t o n 及日本的i 菱 重工】。f r o n i u s 公司设计生产的轻便焊枪已用十a u d i 午系的焊接，它方便灵活， 可实现三维立体自动化焊接；a i r l i q u i d e 公司还| 殳“牛产了1 2 j l k 效用的焊接头系 统，川用十激光一m i g ，激光t i g ，以及激光p l a s m a 的复合焊接口j 。我同哈尔滨 工业大学的陈彦斌教授研制了空心钨极的焊炬，激光可从中间穿过环状电弧到达 工件表面，主要用于c 0 2 激光一t i g 电弧的焊接。兰州理工大学与1 = 5 本大阪人学 联台设计ty a g 激光一脉冲m i g 电弧复合焊炬。 113 激光一电弧复合焊的研究现状 激光电弧复合焊接技术在得到工业应用的同时幽内外报多学者对其焊接机 理进行深入研究，并q - x , t 各种实际加。r 对象进行了参数优化和技术探索。日前的 研究主要集中在：通过改变激光与电弧在焊接方向l 的先后| i 贞序、1 乜弧电流、焊 接速度、激光离焦量d f 、激光与电弧在板材上的横向问距d l n 米研究焊接熔深、 焊道成形、电弧稳定性、熔滴过渡以及等离子体形态等，并对h ；同复合方式的特 点及保护气的选用进行了探讨。 y a s u a k in a i t o i ”噪用图i 5 所示的实验布置在研究y a g - 激光一g 复合焊叶1 小孔行为与熔池流动时发现电弧熔池和和激光作用点l i j 的距离在t i g y a g 奇 况下比在y a g - t i g 情况下要长，所以君t i g y a g 情况下焊接熔深得到增加。与 单纯的濑光焊接相比，焊接深度的增加uj 解释为一方而足电弧的自收缩效应，另 萏 一 ，瑚_ 第一g 镕论 一力而足电弧熔池的出现降低了扳材对激光的反射率及单独激光焊接时形成金 属熔化、蒸发所需要的热导损失。 幽i 5 凇光电弧复合焊接的实验研究示意罔” f i gi 一5s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r l m e n t a ls t u d y o f l a s e r ，a r ch y b r i d m u n e h a r uk u t s u n a l t 6 1 采用c 0 2 激光与m a g 复合对焊接过程中的光致等离 子体与电弧相可作用进行了研究，如图1 6 示意：随激光与电弧间间距的减小， 激光会入射到电弧内部，此时焊接熔深相对减小；为了获得较大熔源，最佳问距 是在激光恰好辐照于电弧边缘，但仍处于电弧产生的蒸汽和等离子体云之内；当 光致等离子体与电弧分开时，焊接熔深会减小，一般来说激光与电弧间距d l 要取决于电弧和熔池的体积大小，它们又受到电弧电流、电压和焊接速度的影响。 图1 6 激光入射电弧熔池内都示意图1 1 6 1 f i g i 6s c h e m a t i co f i n c i d e n t i o c a t i o f l a s b m i n t o t h ea p ep o 。1 1 1 6 1 在离焦量对焊接形貌及焊缝熔深的研究上，s h i g e k if u j i n a g a t l ”采用y a g 激 光一t i g 复合焊接铝合金时指出，d l “在一定范围内变化时，激光离焦量d r 会影 响焊接接头形貌，但当d t a 人于2 m m 时焊接接头形貌保持不变。y a s u a k i n a i t o i g2 0 1 同样采用y a g 激光一t i g 电弧通过对奥氏体不锈钢的焊接进行了系 n r t n a t # ? z 州填驰研究认为焊接熔深旧增j j ut - 耍取决j 激光功牢或激光功率密度而小足l u 弧i n 流，电瓶电i ! ；c 的增加u j 使横截而r 的金属熔化面积增大：当增加电瓶 u 流删 山r 一乜弧压力的增大使得熔池表面下降，要想获得较大熔深，激光的离焦量应向 增大负离焦量的趋势调整。此外y a s u a k in a i t o 还设计了两种小同的焊接条件， 如同l 一7 所示，分别将两个板材叠加但小相接触的“l a p - j o i n t ”方案和在上联扳 材开一缝隙的“b u t t - j o i n t ”方案，通过测量两种实验布置下的卜r 板材电压著异 对比得出在复合焊时电弧只是存在_ 丁 j q l 入l1 但不进入小孔内部的结论。该学者 还研究了a r 、a r + 0 2 及h e 、h e + 0 2 保护气埘= 【早缝解截而的影响得出：在电流1 0 0 a f 采用a r 气巾掺加0 2 时，比单纯a r 保护。t 时的身宽比增加，f i j 在i b 流较火时 熔深不再增加；m 采用h e 与0 2 的混合保护气以使熔深在大电流下仍然得到 增加，这归因于h e 保护气时电弧相对更加集中且电弧的产生的压力比a r 保护 气时更人。在激光光束类型的选取卜，陈彦斌口”认为y a g 与电弧的复合比c 0 2 激光，电弧的复合舟相同激光功率下可扶得更大熔深。目前对于薄扳及材料表而 处理多采用c 0 2 激光一屯弧复台方式，而y a g 激光0l 乜弧的同轴复合可在自动化 加j 。巾发挥更火的优势脚i 。 幽i - 7 搭接( a ) 年对接( b 】焊实验示意蚓” f i g i 一7s c h e m a l i ce x p e r i m e n t a ls e t u p s o f ( 曲l a p - a n d ( b ) b u t t - j o i n t w e l d t y p e s ” 以上的应用性研究主要针对实际的j j u 工过程，此外科研工作者还对两种热源 的相互作用机理进行了一定的研究。与应j 干| 性研究不同在十，试验过程主要以两 热源为研究对象，避免了加人板材带来的影响。下面分别就电弧对光束的作用以 及光束埘电弧状态的改变西个方面进行说明： ( 在电弧对激光光束的影响方面，y a s u a k in a i t o 等人在y a g - t i g 复合 焊接过程中，利用c c d 采集小扎前沿定角度下的反射光线考察了计算电弧时 激光的散射、折射情况，结粜表叫复合焊接时电弧x ty a g 激光的散射、折射、 吸收都较小。bh u 等人使用功率计测量了5 0 0 wn d ：y a g 激光垂直穿过l o o a 直流n g 电弧后的功率衰减测量得到激光通过电弧的能量损失仅为07 ，利 第一苹绪论 用b e e r - l a m b e r t 定律计算出电弧对y a g 激光的吸收系数为1 0 3 x 1 0 2 c m 一。 b i b i k t 2 4 】使用o 3 3 w 可调c 0 2 激光垂直穿过t i g 电弧，实验得出：随电弧电流 的增大激光的传输系数明显减小，当电弧电流大于2 0 0 a 时，电弧对激光能量的 吸收接近3 0 。实验中还观察到穿过电弧后的光束中心功率密度严重下降甚至低 于边缘。对该现象分析认为：电弧弧柱中心轴线相对于半径较大处为一高电离度 的电子密集区，该区域的自由电子和离子对光束吸收较强，如图1 8 所示。由于 该实验采用的是c 0 2 激光器，与y a s u a k in a i t o 1 8 】研究的区别在于c 0 2 激光的波 长是y a g 激光的十倍，等离子体的逆韧致吸收系数与波长的依赖关系决定了对 c 0 2 激光的吸收较y a g 激光强，这在两实验的结果中已经得到了验证。但是b i b i k 在分析c 0 2 光束中心功率密度低于边缘时未考虑等离子体对光束折射引起的功 率密度变化，同时实验中未进行该部分研究也是一种不足。 ( a )( b ) 图1 - 8 实验布置( a ) 及光束穿过电弧后的能量分布( b ) f 2 4 1 f i g 1 - 8e x p e r i m e n t a ls e t u p ( a ) a n dt h ed i s t r i b u t i o no fp o w e ri nt h el a s e rb e a mp r i o rt oa n da f t e r p a s s a g et h r o u g ht h ea r c ( b ) 【2 4 1 在该方面，国内陈彦宾【2 5 1 等人采用激光烧蚀有机玻璃方法定性研究了脉冲 c 0 2 激光垂直穿过电弧时电弧对激光的吸收及散焦情况。结果显示在激光功率较 高时，电弧不同区域对激光的吸收基本相同，激光功率较低时，电弧阴极区对激 光吸收较弱，阳极区吸收较强，激光功率、电弧电流增大时电弧对激光的散焦作 用增强，如图1 - 9 所示。虽然实验对电弧引起的光束散焦进行了巧妙的测量，但 只是单纯的实验报道，鉴于该实验方法的特殊性，并不能对实验结果进行真正意 义上的“定量”。 7 0州il52 02 0 f x _ i o f ，i _ 。m l r oor l m m la j( b ) 削i - 9 【u 弧对激光的啦收及散焦删量方往( a ) 及电弧1 ；j 叫k 域对激光的啦_ = 5 ( b ) “ f i g i 一9 m e a s u r i n g m e t h o do f a b s o r p t i o aa n dd e f o c u s l n g o f a mo n l a s e rr a la n da b s o r p t i o no f a m o n l a s e ra td i f f e r e n ta r c o c a l i o n ( b ) ( 2 ) 在激光对电弧影响方面，sgg o r n y i 2 6 1 实验研究了激光电弧复合中的电 弧电特性指山，随激光功率增加电弧也压减小、电导率升高， u 弧两极司的带u 粒子更加密集。这一方面足由于激光使得电弧定位、稳定于小孔处，另一方丽是 由1 。激光使得材料表面金属蒸发、电离了更多的带电粒了。s e y f f a r t hp 2 7 1 总结归 纳了激光- 电弧焊接及其存材料加i 巾的应用指出，激光- 电弧同轴复合时，i hj 一 激光光束半径小，对电弧局部加热效率远大于电弧焦耳热，电弧- 扣心通道温度及 电流密度的提高改变了电弧的能量状态分布。陈彦宾2 82 9 i 等人在研究激光劳轴 t i g 电弧f 的焊缝特征时观察到，在实验规范较小条什f 激光对电弧柯较强的脏 缩作用i 碴屯流增大等离了体丌始长大，并存在一个临界范围；在其它实验一n 他 还观察到了激光支持的燃烧波，认为电弧的存在使得燃烧波的产生更加窬易。 此外在划电弧电，密度技温度的研究洲量上，a d e n 口利川谱线的相划强度法 计算了1 i g 焊与n d ：y a gl a s e r - t i g 复合焊在旁轴焊接s t 5 2 及a i m 9 3 时电弧不 | l _ i | 位置处的温度，试验采用了钨极反接法，板材为正极。结果发现，复台焊接 s t 5 2 时靠近阳极处的等离了体温度较高，椎近阴极处的等离予体温度较低，而焊 接a i m 9 3 时靠近阴极处的温度较高。分析其原囚在于，温度达到各自沸点时的 表面张力不同。此时铝台金的表面张力要比不锈钢低一个数量缴，电弧在铝台金 表面铺展较大，电流密度较小，温度较低；而电弧在不锈钢表面电流密度集中， 温度较高。由于电，密度是激光等离_ 了体和焊接电弧的一个重要物理参量，它直 接影响了激光束的穿透力和能量利用率天津大学的胡笮荪等p “早在1 9 9 3 年便 采用s t a r k 展宽光谱分析法测量了激光、t i g 电弧以及激光t i g 屯弧的电子密度， 如图1 - 1 0 所示。他采用5 j 钕玻璃脉冲激光器j 氩弧旁轴复合焊接o8 m m 厚铝扳， 采集了距熔池l m m 处a l 的部分可见光i 8 ，计算出激光焊、电弧焊以及两者复合 焊接时该位置处的电子密度分别为：i5 1 0 1 7 c m 。、09 5 1 0 ”c m 一、52 1 0 1 7 十i_e!=，5 第一章绪论 c m - 3 。因此认为电弧强化激光焊的机理在于电弧稀释了光致等离子体，降低了激 光等离子体对激光能量的吸收和反射，提高了激光束的穿透能力。虽然该研究为 我们指出了复合焊与其它焊接方式在电子密度参量上的差异，但在实际的复合焊 接过程中，电弧与激光诱导的等离子体两者是同时存在的，它们均作用等离子体 对光束存在吸收、散射和折射，因此忽略电弧而只考虑光致等离子体对光束的影 响是片面的，电弧对激光焊的强化以强化的机理还有待进一步研究。 图1 1 0 试验布置( a ) 及s t a r k 展宽法测量电子密度所采用的a l l3 9 6 1 5 4 a 、3 9 4 4 a 谱线( b ) p l j f i g 1 10e x p e r i m e n ts e tu p ( a ) a n dt h ea i i3 9 61 5 4 a ，3 9 4 4 ae m i s s i o nl i n ef o rs t a r kb r o a d e n i n g m e a s u r e m e n t ( b ) 【3 1 】 通过以上国内外研究，目前对两种热源相互作用的机理认识为：一方面电弧 对激光能量存在吸收，且吸收与光束波长密切相关；电弧对激光能量的吸收可使 光束中心峰值功率密度降低甚至低于边缘；电弧对光束亦存在散焦作用。另一方 面激光可控制电弧，它在焊点处形成的等离子体通道能为电弧提供导电通路，且 由于该导电通道较窄，可以吸引并压缩电弧，提高电弧稳定性；同时激光作用板 材处蒸发电离出更多的电子，提高了电弧的导电能力，使场强降低。 1 2 本文研究内容 激光与电弧的复合不是两种热源的简单相加，激光电弧、光致等离子体电 弧之间的相互作用机理是这种焊接技术认识和掌握的难点和根本所在。虽然国内 外对这种相互作用机理进行了一定的实验研究和理论分析，但与实际的加工应用 研究相比仍然不足，且尚未形成系统的理论共识，有待进一步研究。 本文以c 0 2 激光与直流t i g 电弧相互作用为研究对象，借助于一些先进的仪 器及检测设备进行了三个方面的实验研究和理论分析，主要包括： ( 1 ) c 0 2 激光在直流t i g 电弧中的传输特性研究，对不同电流、激光功率 以及激光作用电弧不同位置情况下，电弧对激光光束能量的吸收、折射、散射及 9 北京工业大学t 学硕。l ：学1 节论义 传输方向的影响进行了试验研究和分析讨论。 ( 2 ) c 0 2 激光对t i g 电弧静特性、电弧电压、电弧形态等的影响研究，并 对激光电弧相互作用系统的能量进行了测量分析；此外对激光功率较高时产生的 激光支持的燃烧波( 燃烧波的上升高度、传播速度、体积、燃烧频率) 进行了相 关研究和讨论。 ( 3 ) 对c 0 2 激光与t i g 电弧的相互作用进行了光谱分析。采用相对强度法 计算了激光作用位置对电弧平均湿度的影响，利用s h a h a 方程计算了电弧平均电 离度及电子密度的变化。 l o 第二章等离子体及光谱分析的一般理论 第二章等离子体及光谱分析的一般理论 2 1 等离子体的基本概念 等离子体作为物质存在的第四态，是通过库仑力而集体相互作用着的运动带 电粒子的电中性集合，其中包括电子、离子或部分中性粒子。为了保证等离子体 ，。一 的存在，通常要求其空f b - i 尺度三要远大于德拜长度ad ，l 乙= 、k r , ( 4 n n , e 2 ) ； 同时等离子体以震荡的方式存在，其振荡的特征频率为功。= x 4 万n , e 2 m , ，且等 离子体要满足电中性的要求，因而等离子体放电的特征时间尺度f 要远大于等离 子体的振荡周期乃t r = 。 3 2 j 。 等离子体按照温度高低可划分为：高温等离子体( 粒子温度为1 0 6 1 0 8 k ) ； 低温等离子体( 从室温到3 x 1 0 4 k ) 。在低温等离子体中，当重粒子温度在 3 x 1 0 3 - 3 x 1 0 4 k 范围，基本上达到热力学平衡，具有统一的热力学温度，称为热 等离子体；当重离子温度只有室温左右，而电子温度可达上万，远离热力学平衡 态，称为冷等离子体【3 3 1 。本文研究的电弧等离子体及激光焊接中的光致等离子体 均属于低温热等离子体范畴。 当等离子体处于热力学平衡态时，等离子体内各组分粒子具有相同的温度， 即等离子体具有统一的热力学温度仁瓦。对于完全热力学平衡态的等离子体， 麦克斯韦定律规定了离子的速度分布函数，波尔兹曼分布确定了激发态粒子的数 密度，沙哈方程建立了电离度的关系式，普朗克定律给出了辐射的谱分布。由于 在实验室中完全热力学平衡的等离子体几乎不存在，因此当电子数密度足够高， 以使在等离子体中的激发、去激发和电离、复合等过程中电子碰撞过程起决定性 作用时，我们把等离子体作为局域热力学平衡态来处理，使问题得到简化。 2 2 激光加工中的光致等离子体 等离子体的产生是气体电离的结果，电离机制一般可分为以下三种： ( 1 ) 碰撞电离：以任意方法把粒子加速到超过某一限度并用它撞击中性气 体粒子时，它将相当于电离能孵大小的一部分能量传递给中性气体粒子就会使 其发生电离。作为碰撞粒子在非弹性碰撞时的能量传递效率一般是质量越小，效 率越高。在电弧放电中，不可能产生很高能量的粒子，因此，即便发生碰撞电离， 也是由电子引起的。高速电子除通过使中性气体粒子电离的方式失去能量外，同 时可通过多级电离而消耗，还可通过激发碰撞的方式失去能量。被激发的粒子又 北京t 业人! 学_ t 学硕1 j 学位论文 可通过积累的方式实现电离，这要求气体粒子能停留在激发状态的时间够长，一 般象n e ，a r 等惰性气体，凡是发生亚