（光学工程专业论文）激光电弧相互作用及激光tig复合焊接新工艺研究.pdf

、 、。0 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：孑乏哆嘭坠l 日期： 关于论文使用授权的说明 伽f o 、飞。 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：黑垒皇堕 导师签名： 日期： ) ，je b m p 9m i h e r h e ，以j ，刀d 玎e 、 刀p f l u ，! i i u 。，“j z a 么胛 b b u d q ，d e e u ，e l i o ，i l 吗 巧 m 电流密度 波尔兹曼常数 电子、离子质量 激光临界密度 电子、离子、中性原子的数密度 局部热力学平衡临界电子数密度 p 能级的粒子数密度 能级“和能级，上的粒子数密度 电子、离子平均速度 激光在等离子体中的传输距离 流体截面面积 高能级p 到低能级g 的自发发射跃迁几率 磁场强度 黑体辐射强度 激光作用电弧前后的电弧直径，光束直径 光波电场强度 能级“和能级，的能量 激光作用电弧前后的激光中心功率密度、电弧电流 能级p 到低能级g 的跃迁辐射的特征谱线强度 聚焦特征参数 马赫数 i 北京丁业大学_ t 学博土学位论文 p 流体压力 ，p r t 疋，乃 。u m v z 口， 口m ，口工 y 艿 占 占0 p l 鬈 a d 专m p 盯 u d 舶 6 ) p r c 激光穿过电弧前后的功率 激光穿过电弧前后的光斑半径 流体绝对温度 等离子体电子、离子温度 激光作用电弧前后，电弧电压 电离能( f 为1 ，2 疗次电离) 流体速度 离子价数，配分函数 逆韧致线形吸收系数 绝热指数( 对双原子气体y = 1 4 ) 错边量 等离子体介电常数 真空介电常数 高能级p 到低能级q 的跃迁的辐射系数 热导率 激光波长 德拜长度 折射率 频率为的光谱强度 流体密度 等离子体电导率 粒子速度、辐射频率 电子、离子碰撞频率 脉冲转化频率 发射的光谱频率 电磁波的圆频率、激光圆频率 等离子体频率 电子流 装配间隙 摘要 摘要 激光一电弧复合焊接是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合 于一体的先进焊接技术。激光电弧复合焊接能够弥补单纯激光焊接的不足，极大 地增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量。近年来，该技术在发达国家 受到了广泛关注并得到了积极的研究。激光与电弧的复合不是两种热源的简单相 加，深入研究激光电弧的相互作用机理对深刻理解复合焊接过程，优化焊接工 艺具有重要意义。 复合焊接时，激光辐照母材的热效应及光致等离子体对激光电弧相互作用 产生重要影响；同时电弧吸收激光能量后，导致局部电子密度及电子密度梯度升 高，引起吸收和折射效应的进一步增强。本文首先在不考虑这些因素的条件下， 以激光在等离子体中的传播理论为基础，通过经典电子一离子碰撞理论，计算了 电弧等离子体对入射激光的线性逆韧致吸收系数及折射率；在电子能量方程中引 入逆韧致吸收项彳仞，根据最小电压原理修正了激光作用电弧后的电弧电子能量 方程。从理论上分析了激光作用电弧后，光束特性及电弧特性地变化趋势，揭示 了激光电弧相互作用时光束特性及电弧特性变化的物理机制及影响因素。 随后，采用3 5 0 0 w 扩散冷却c 0 2 激光器、4 0 0 0 wy b ：y a g 盘片激光器、 f r o n i u st s 5 0 0 0 直流数字电源，借助高速摄像仪、瞬态光谱仪、光束光斑诊断仪 、及功率计，试验研究了高功率聚焦激光束与t i g 电弧相互作用时的光束特性和 电弧特性的变化规律。试验中为了避免激光作用母材时的热效应，同时直接测量 激光穿过电弧后的光束参量及电弧对激光能量的吸收率，采用聚焦光束垂直穿过 直流t i g 电弧，焦点位于电弧轴线的布置方式；使用高速摄像仪拍摄了激光作 用前后的电弧形态变化，瞬态光谱仪分别记录电弧不同部位的局部光谱，通过对 电弧局部位置的光谱分析，采用波尔兹曼图法计算了电弧局部温度，并根据s a h a 方程计算了电弧等离子体局部电子浓度。着重分析了激光功率、电弧电流、激光 作用位置对激光能量传输率、光斑直径、光束传输方向及电弧静特性、电弧形态、 电弧功率、电弧轴线温度分布及电子数密度的影响规律；探讨了激光作用电弧后， 光束特性及电弧特性发生变化的原因；研究了电弧气氛、激光波长对相互作用的 影响规律及作用机制。 最后在激光电弧相互作用研究的基础上，针对薄板搭接、对接、t 型接头 及厚壁对接开展了几种激光- - t i g 填丝复合焊接新工艺研究。为克服填丝复合焊 接的飞溅和焊接烟尘对聚焦镜的污染，根据激光焊接时飞溅颗粒的运动状态和运 动规律，基于气体动力学原理设计了超音速非对称拉伐尔腔体结构的横向气帘喷 嘴：对比激光填丝焊接，研究了激光一t i g 填丝复合焊接的工艺特性、焊缝成形、 内部缺陷及工艺适应性；通过工艺参数优化，获得了理想的复合焊接薄壁t 型接 誊及厚板对接接头；将激光电弧复合焊接技术与采用辅助电流的激光焊接方法有 机结合，开发了强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接方法。 善键词：激光；t i g 电弧；光束特性：电弧特性；复合焊接工艺；磁流体动力学 效应 一一一 a b s t r a c t 曼|ii,i, i im i 皇苎皇苎鼍曼皇曼曼皇曼曼曼皇皇曼! 曼曼曼! 曼曼毫皇皇! ! ! 曼曼曼曼曼! 孽 a bs t r a c t l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gi sa l la d v a n c e dw e l d i n gt e c h n o l o g yb y c o m b i n i n gt w o h e a ts o u r c e sw i t hd i f f e r e n tp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m s l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gc a l lm a k eu pf o rt h ed e f i c i e n c i e so fi n d i v i d u a ll a s e rp r o c e s s a n dt a k eg r e a te f f e c t so ni n c r e a s i n gt h ej o i n tf i t u pt o l e r a n c e ，e n h a n c i n gt h ep r o c e s s s t a b i l i t y , e l i m i n a t i n g t h ew e l dd e f e c t s ，a n d i m p r o v i n gt h ew e l d i n ge f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h el a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gi sr e c e i v i n gi n t e n s i v es t u d ya l lo v e rt h ew o r l d i nr e c e n ty e a r s t h eh y b r i do ft h el a s e ra n dt h ea r ci sn o tj u s tas i m p l ec o m b i n a t i o n s o t 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 nt h ep h y s i c a lp h e n o m e n aa n dm e c h a n i s mo f t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el a s e rb e a ma n dt h ea r cp l a s m aa r es i g n i f i c a n tf o r u n d e r s t a n d i n go ft h eh y b r i dp r o c e s se s s e n t i a l l y i nl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gp r o c e s s ，t h et h e r m a le f f e c ta n dt h el a s e r - i n d u c e d p l a s m aw h i c hg e n e r a t e dd u r i n gl a s e rr a d i a t i o no nm e t a lh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so n l a s e r - a r ci n t e r a c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h el o c a le l e c t r o nd e n s i t ya n dt h eg r a d so f e l e c t r o nd e n s i t yi n c r e a s ew i t hm o r el a s e re n e r g ya b s o r b e db ya r c ，w h i c hi n d u c e sm o r e a b s o r p t i o na n dt h er e f r a c t i o n i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r yo fl a s e rp r o p a g a t i o ni na r c p l a s m ai sd e s c r i b e da n dt h ei n v e r s eb r e m s s t r a h l u n ga b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h e r e f r a c t i v ei n d e xo fa r cf o ri n c i d e n tl a s e rb e a ma r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt oc l a s s i c e l e c t r o n i o nc o l l i s i o nt h e o r yw i t h o u tt a k i n gt h et h e r m a le f f e c ta n dt h el a s e r - i n d u c e d p l a s m ai n t oc o n s i d e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ee l e c t r o ne n e r g ye q u a t i o no fa r ci s a m e n d e db yi n t r o d u c i n g 彳纠o fi n v e r s eb r e m s s t r a h l u n ga b s o r p t i o nt e r m t h e v a r i a t i o nt r e n d so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e a ma n da r ci nl a s e r - a r ci n t e r a c t i o na r e a n a l y z e di nt h e o r e t i c a l ，a n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r sa r e i n v e s t i g a t e d t h e n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e ra n da r cd u r i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh i 曲 p o w e rl a s e ra n dd ct i ga r ca r ei n v e s t i g a t e di nm a n ya s p e c t s t h eh e a ts o u r c e su s e d i nt h ee x p e r i m e n ta r er o f i nd c 0 3 5s l a bc 0 21 a s e r , d s0 4 0h qd i s cy b ：y a gl a s e r a n df r o n i u st s 5 0 0 0d i g i t a la r cw e l d i n gs y s t e m n l em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sa r e m o l e c t r o n3 s i g m al a s e rp o w e rm e t e r , p r o m e t e cu f f10 0b e a md i a g n o s i s ，p h o t r o n f a s t c a m10 2 4 r 2f a s tc a m e r aa n dr 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 i no r d e r t oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo ft h el a s e r - i n d u c e dt h e r m a le f f e c ta n dd i r e c t l ym e a s u r et h e l a s e rb e a mp a r a m e t e r sa n dt h el a s e rp o w e ra b s o r b e db yt h ea r c ，t h el a s e rb e a ma n dt h e t i ga r ca r ev e r t i c a l l ys e tu pi nt h ee x p e r i m e n t , w i t ht h ef o c a ls p o t ss e ta tt h ec e n t r a l a x i so ft h et i ga r c d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h ea r cc o n f i g u r a t i o ni st a k e n 晰t 1 1t h e l l i 曲s p e e dc a m e r a , t h es p e c t r u mo ft h ea r cp l a s m ai sa c q u i r e db yt h es p e c t r o g r a p h ， t h el o c a la r ct e m p e r a t u r ei sc a l c u l a t e db yb o l t z m a n np l o ta n dt h ee l e c t r o nd e n s i t yo f a r cp l a s m ai sc o m p u t e db yt h es a h ae q u a t i o n t h ee f f e c t so fl a s e rp o w e r , a r cc u r r e n t a n dl a s e ri n c i d e n tp o s i t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e a ma n da r cp l a s m a , s u c ha sl a s e r p o w e rt r a n s m i tr a t i o ，b e a md i a m e t e r , l a s e rp r o p a g a t i n gd i r e c t i o n , v o l t a g e c u r r e n t v 北京工业大学t 学博十学位沦文 c h a r a c t e r i s t i c ，a r cc o n f i g u r a t i o n ，a r cp o w e r , a r ct e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t y , a r e i n v e s t i g a t e di nd e t a i la n dt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m sa r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e t h e i n f l u e n c e so fa r ca t m o s p h e r ea n dl a s e rw a v e l e n g t ho nt h el a s e r - 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t i gh y b r i dw e l d i n gw i t h f i l l e rw i r ea r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hi n c l u d ea p p e a r a n c eo ft h ew e l d s ，t h ed e c r e a s eo f d e f e c t sa n dt h et o l e r a n c ei ng a pa n du n f i t n e s s b yo p t i m i z i n gt h ep r o c e s s p a r a m e t e r s ， s o u n dt h i nw a l l e dt - j o i n ta n dh e a v ys e c t i o nb u t t j o i n tc a nb eo b t a i n e db yc 0 2 l a s e r - t i g h y b r i dw e l d i n gp r o c e s s 1 1 1 el a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gp r o c e s sw i t h m a g n e t o h y d r o d y n a m i c sr e i n f o r c i n gi sd e v e l o p e dw i t ha ni n t e g r a t i o no fl a s e r - a r c h y b r i dw e l d i n ga n dl a s e rw e l d i n gw i t he x t e r n a le l e c t r i c a lc u r r e n t k e yw o r d s ：l a s e rb e a m ；t i ga r c ；b e a mc h a r a c t e r i s t i c ；a r cc h a r a c t e r i s t i c ；h y b r i d w e l d i n gp r o c e s s ；m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s v i 目录 目录 符号表i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1研究背景1 1 2 激光电弧复合焊接的原理及特点2 1 2 1 激光电弧复合焊接的原理2 1 2 2 激光电弧复合焊接的特点3 1 3 激光电弧复合焊接方法4 1 4 激光电弧复合焊接的研究热点6 1 5本文的研究目的和内容8 1 6 本文结构8 第2 章国内外研究现状如一9 2 1激光电弧复合焊接的发展历程9 2 2 激光电弧复合焊接机理研究1 0 2 3 激光电弧复合焊接工艺技术及应用1 8 、第3 章激光与电弧相互作用的理论分析2 3 3 1 电弧的基本特征2 3 3 2 等离子体的基本概念2 5 3 3 激光在等离子体中的传播方程2 7 3 4 电弧等离子体对激光的逆韧致吸收2 9 3 5 电弧等离子体对激光的折射3 3 3 6 激光作用后的电弧电子能量方程3 5 3 7 本章小结3 8 第4 章激光一tlg 电弧的相互作用的试验研究3 9 4 1 试验条件及设备3 9 4 1 1 试验设备3 9 4 1 2 试验方案4 0 4 1 3 数据处理约定4 0 4 2 等离子体温度的光谱诊断4 2 4 2 1 等离子体光谱分析的热力学基础4 2 4 2 2 等离子体局部热力学平衡的判据4 3 4 2 3 等离子体电子温度的测量4 3 v i i 北京工业大学t 学博一f j 学位论文 4 2 4 等离子体电子数密度4 5 4 2 5 光谱分析谱线选择的原则4 5 4 3 高功率激光作用下的t i g 电弧特性4 7 4 3 1 伏安特性4 7 4 3 2 电弧直径4 8 4 3 3 电弧形态4 9 4 3 4 电弧光谱特征5 1 4 3 5 电弧轴向温度分布及电子数密度5 2 4 3 6 电弧功率5 4 4 3 7 分析与讨论5 5 4 4 高功率激光束在t i g 电弧中的传输特性5 6 4 4 1 激光能量5 6 4 4 2 激光光斑直径5 8 4 4 3 激光光斑形状及功率密度分布5 8 4 4 4 激光传输方向5 9 4 4 5 线性逆韧致吸收系数6 0 4 4 6 激光波长、电弧气氛对光束传输特性的影响6 0 4 4 7 分析与讨论6 4 、4 5 本章小结6 6 第5 章c 0 ：激光一t lg 复合焊接新工艺研究6 7 5 ，1 薄板的c 0 2 激光t i g 填丝复合焊接6 7 5 1 1 横向气帘设计6 8 5 1 1 对接接头复合焊接7 5 5 1 2 搭接接头复合焊接7 7 5 1 3t 型接头复合焊接7 8 5 2 厚板窄间隙c 0 2 激光- - t i g 填丝复合焊接8 1 5 2 1 万瓦级c 0 2 激光自熔焊接8 2 5 2 2 窄间隙c 0 2 激光填丝多层焊接8 4 5 2 3 窄间隙c 0 2 激光t i g 填丝复合焊接8 8 5 3 强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接。9 0 5 3 1 磁流体动力学效应在激光焊接中的应用9 0 5 3 2 外加电流对焊缝均匀性的影响9 4 5 3 3 强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接9 6 5 4 本章小结9 8 结论9 9 目录 参考文献1 0 1 攻读博士学位期间申请的专利和发表的学术论文1 0 7 攻读博士学位期间参与完成的相关科研项目1 0 9 致谢1 1 1 北京工业大学工学博士学位论文 x c o n t e n t s c o n t e n t s s y m b o l s i a b s t r a c ti nc h i n e s e i l l a b s t r a c t v c h a p t e r1p r e f a c e 1 1 1 i n v e s t i g a t i o nb a c k g r o u n d 1 1 2 p r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so f l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g 2 1 2 1 p r i n c i p l e so f l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g 2 1 2 2c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g 3 1 3 t y p e so fh y b r i dw e l d i n gp r o c e s s e s 4 1 4r e s e a r c hf o c u si nl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g j 6 1 5 r e s e a r c hm o t i v e sa n dc o n t e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o n 8 1 6d i s s e r t a t i o ns t r u c t u r e s 8 c h a p t e r2s u r v e yo fl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gd e v e l o p m e n t 9 2 1 h i s t r o yo fl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gd e v e l o p m e n t 9 2 2f u n d a m e n t a lr e s e a r c h si nl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g l 0 2 3i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so fl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gp r o c e s s e s 18 c h a p t e r3t h e o r e t i c a la n a l y s i so f l a s e r - a r ci n t e r a c t i o n 2 3 3 1c h a r a c t e r i s t i c so f a r c 2 3 、 3 2b a s i cc o n c e p t i o n so fp l a s m a 2 5 3 3l a s e rw a v ep r o p a g a t i o ni np l a s m a 2 7 3 4i n v e r s eb r e m s s t r a h l u n ga b s o r p t i o ni na r cp l a s m a 2 9 3 5r e f r a c t i o no fl a s e rl i g h ti na r cp l a s m a 3 3 3 6e l e c t r o ne n e r g ye q u a t i o no fa r cw i t ht h ea c t i o no fl a s e rb e a m 3 4 3 7 b r i e f s u m m a r y 3 8 c h a p t e r4e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so fl a s e r - a r ci n t e r a c t i o n 3 9 4 1 e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa n dd e v i c e s 3 9 4 1 1 e x p e r i m e n t a ld e v i c e s 3 9 4 1 2 e x p e r i m e n t a ls c h e m e 4 0 4 1 3d a t ap r o c e s s i n gm e a n s 4 0 4 2 s p e c t r o s c o p i cd i a g n o s t i c so f e l e c t r o nt e m p e r a t u r e 4 2 4 2 1f o u n d a t i o no f t h e r m o d ) 7 n a m i ci ns p e c t r u ma n a l y s i s 4 2 4 2 2c r i t e r i o n so fl o c a lt h e r r n o d y n a m i ce q u i l i b r i u m 4 3 4 2 3m e a s u r e m e n t so f e l e c t r o nt e m p e r a t u r eo f p l a s m a 4 3 4 2 4 m e a s u r e m e n t so fe l e c t r o nd e n s i t yo f p l a s m a 4 5 4 2 5s e l e c t i v ep r i n c i p l e so fs p e c t r a ll i n e s 4 5 4 3e f f e c to f h i g hp o w e rl a s e rb e a mo na r cc h a r a c t e r i s t i c s 4 7 4 3 1 v o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c 4 7 x l 北京 二业大学t 学博十学位论文 4 ：；2l o c a la r cc o l u m nd i a m e t e r 4 8 4 3 3a r cc o n f i g u r a t i o n 4 9 4 3 4 s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i co fa r cp l a s m a 51 4 3 5a r ct e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n de l e c t r o nd e n s i t y 5 2 4 3 6a r cp o w e r 5 4 4 3 7 d i s c u s s i o n s 5 5 4 4 e f f e c to f a r co nh i g hp o w e rl a s e rp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 5 6 4 4 1l a s e rp o w e r 5 6 4 4 2l a s e rb e a md i a m e t e r 5 8 4 4 3l a s e rb e a ms h a p ea n dp o w e r d e n s i t yd i s t r i b u t i o n 5 8 4 4 4l a s e rb e a mp r o p a g a t i o nd i r e c t i o n 5 9 4 4 5i n v e r s eb r e m s s t r a h l u n ga b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t 6 0 4 4 6e f f c c t so fl a s e rw a v e l e n g t ha n da l ea t m o s p h e r e 6 0 4 4 7d i s c u s s i o n s 6 4 4 ! ；b r i e fs u m m a r y 6 6 c h a p t e r5n o v e lp r o c e s s e so fc 0 2l a s e r - t i ga r ch y b r i dw e l d i n g 6 7 5 1 c o l a s e r - t i ga l eh y b r i dw e l d i n go ft h i n p l a n t sw i t hf i l l e rw i r e 6 7 1 ；1 1 d e s i g no f u l t r a s o n i cc r o s s - j e t 6 8 1 ；1 2 h y b r i dw e l d i n go f b u t t j o i n t 7 5 1 ；1 3 h y b i r dw e l d i n go fl a pj o i n t 7 7 5 1 4 h y b r i dw e l d i n go fv - j o i n t 7 8 5 2c o zl a s e r - t i ga r ch y b r i dw e l d i n go fh e a v ys e c t i o np l a n t s 81 5 2 1 a u t o g e n o u sw e l d i n g 、i m l0 k w c l a s sc 0 2l a s e r 8 2 5 2 2n a r r o wg