（机械电子工程专业论文）激光tig电弧复合焊接热源的光谱诊断.pdf

_-1 ad i s s e r t a t i o n p r e s e n t e dt ot h ea c a d e m i cd e g r e ec o m m i t t e e o f b e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i nc a n d i d a c yf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ri ne n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：x i ay u a n s u p e r v i s o r ：p r o f d r s o n gy o n g l u n c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g & a p p l i e de l e c t r o n i c st e c h n o l o g y b e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b e i ji n g ，p r c h i n a n o v e m b e r2 0 0 9 r i p 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 日期：2 d p 夕02 ) 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：二丝同期：2 呈三2 ：1 27 驴 国家自然科学基金资助项目 ( 项目号：5 0 3 7 5 0 0 5 ) 摘要 摘要 本课题以铝合金为工件极，将激光与氩气保护下t i g 电弧复合热源为研究对 象，借助于先进的光谱测试设备，以电子密度诊断为研究的切入点，探究激光与 电弧相互复合时电弧空间状态参数的变化与特征。以此，揭示复合焊接物理参数 的变化与其物理本质的联系，并发现其相互作用的微观机理，从而能够指导激光 一t i g 电弧复合焊接工艺。 根据光谱分析原理，对激光作用工件产生的金属等离子体和保护气体氩电弧 等离子体的电子密度、重粒子温度在时间、空间状态特征参量方面进行了对比和 分析，实现了对激光- - t i g 电弧复合焊接热源等离子体特征的定量表达。 通过光谱分析法，对激光辅助引燃t i g 电弧的机理进行了研究。对激光辅助 引弧的各个阶段电子密度随时间变化的经历进行了观测，以及不同元素对电子贡 献的参与程度。指出了在引弧初期以金属成分为主的等离子体迅速向保护气体氩 等离子体为主导的电弧热电离的转变过程。 对脉冲激光与t i g 电弧复合过程的光谱特征进行了研究。实现了对脉冲激光 与工件作用后具有较长时间历程电子涨落过程的定量表达，并由此证实金属等离 子体的时间特征以及与保护气体氩等离子体之间在电弧空间的弱相关性。 通过研究连续激光与不同输出方式电弧复合过程中，金属等离子体电子密度 的变化规律，从微观上描述了形成稳定会属等离子体的物理过程。论文对直流、 方波交流和直流脉冲等不同t i g 电弧与激光复合进行了观测，指出了直流脉冲基 值时段金属等离子体电子密度的上升是两种热源复合的一种优化状态，在应用意 义上是激光- - t i g 电弧热源深熔焊接方式的表征。 研究结果表明，由激光激发的金属等离子体与保护气体电弧等离子体具有不 同的物理属性。两种等离子体虽然没有构成热力学意义上的“复合”，但金属等 离子体有助于气体的电离；而电弧的参与有利于对金属等离子体电子密度的“稀 释”由此提高了金属材料对激光能量的吸收率。 激光一t i g 电弧复合的这两个特征在本文的工作中得到了定量的解释和实验 的验证。实验表明，在激光一t i g 电弧复合过程中，能有效、稳定地形成深熔焊 的复合方式为激光+ 直流脉冲t i g 电弧。此时，从光谱信息来看，金属等离子体 保持适当的电子密度，使金属熔池能够持续稳定的吸收激光能量，从而实现深熔 焊。从实际的焊缝形貌看，焊缝窄而深，表现为典型的深熔焊。 a b s t r a c t i a b s t r a c t al a s e r - t i ga r ch e a ts o u r c eu n d e rt h ea r g o ns h i e l d i n gg a si si n v e s t i g a t e do nt h e a l u m i n u ma l l o yu s e db ym e a n so ft h ea d v a n c e ds p e c t r a le q u i p m e n t t h ee l e c t r o n d e n s i t yi sd i a g n o s e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es t a t u sp a r a m e t e r s ，t or e v e a lt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep a r a m e t e r sa n dt h ep h y s i c a ln a t u r e ，t o f i n dt h e m i c r o m e c h a n i s mo ft h e i ri n t e r a c t i o ni nt h ep r o c e s s e so ft h el a s e r - t i gh y b r i dw e l d i n g f u r t h e r m o r e ，i tc a ng u i d et h eo p t i m i z a t i o no fl a s e r - t i gh y b r i dw e l d i n gp r o c e s s a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo fs p e c t r a la n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a ts o u r c e o nt h el a s e r - t i ga r ch y b r i dw e l d i n gc a nb ee x p r e s s e dt h r o u g hc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dh e a v yp a r t i c l et e m p e r a t u r eo f t h e m e t a l l i cp l a s m ao ra r g o np l a s m ap r o d u c e db yi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el a s e ra n dt h e a r c t h em e c h a n i s mo fl a s e r - a s s i s t e dt i ga r ci g n i t i o ni ss t u d i e d t h ev a r i a t i o no f e l e c t r o nd e n s i t ya ta l l s t a g e so ft h el a s e r - a s s i s t e da r c i g n i t i o np r o c e s sa n dt h e c o n t r i b u t i o no fe l e c t r o n sf r o md i f f e r e n te l e m e n t sa r eo b s e r v e d a tt h ee a r l yt i m eo f t h e a r ci g n i t i o n ，t h em a i nc o m p o n e n t so ft h ea r cp l a s m ai sm e t a l l i cp l a s m a ，a n dt h e ni t t r a n s f o i t n st ot h ea r g o np l a s m ad o m i n a t e di nt h ea r cp l a s m a t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i dp r o c e s so ft h ep u l s el a s e ra n dt h et i g a r ea r es t u d i e d t h ef l u c t u a t i o n so fe l e c t r o n sf o ral o n gp e r i o da f t e rt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ep u l s el a s e ra n dt h ew o r k p i e c ec a nb ee x p r e s s e db ym e t h e m a t i c a lf o r m u l a t h e w e a kc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e t a l l i cp l a s m aa n dt h ea r g o n p l a s m ai sa l s oc o n f i r m e d t h e p h y s i c a lp r o c e s s e s o ft h ef o r m a t i o no fs t a b l e m e t a l l i cp l a s m aa r e m i c r o s c o p i c a l l yd e s c r i b e dt h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no ft h ev a r i a t i o nr u l eo fm e t a l l i c p l a s m ad u r i n gt h eh y b r i dp r o c e s s e sb e t w e e nt h ec o n t i n u o u s l a s e ra n dt h ea r e sw i t h d i f f e r e n to u t p u tm o d e s t h eh y b r i dp r o c e s s e sb e t w e e nt h el a s e ra n dt h e r ed i f f e r e n t t i ga r c s ，w h i c ha r et h ed c ，s q u a r ew a v ea ca n dd cp u l s e ，a r eo b s e r v e d t h er i s eo f t h ee l e c t r o nd e n s i t yo ft h em e t a l l i cp l a s m ad u r i n gt h eb a s ev a l u et i m eo f t h ed cp u l s e i sa no p t i m i z e ds t a t eo ft h et w oh e a ts o u r c e ，w h i c hr e p r e s e n t st h ed e e pp e n e t r a t i o n w e l d i n gm e t h o do f t h el a s e r - t i ga r eh e a ts o u r c ei nt h ea p p l i c a t i o n i i i i卜 t h er e s u l t ss h o wt l l a tt h em e t a l l i cp l a s m ap r o d u c e db y t h el a s e ra n dt h es h i e l d i n g g a s e o u sp l a s m ah a v ed i f f e r e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s a l t h o u g h t h e s et w ok i n d so t p l a s m ac a i ln o tr e a l i z et h e c o m p o s i t e ”o nt h em e a n i n go ft h e r m o d y n a m i c s ，t h e m e t a l l i cp l a s m ai sh e l pf o rt h eg a si o n i z a t i o n t h ep a r t i c i p a t i o no f t h ea r cc o n t r i b u t e s t ot h et d i l u t i o n o ft h ee l e c t r o nd e n s i t yo ft h em e t a l l i cp l a s m a , w h i c hc a n r a i s et h e a b s o r p t i v i t yo f l a s e re n e r g yi nm e t a lm a t e r i a l s t h ee x p r e s s i o na n de x p e f i m e n t a l v e r i f i c a t i o no ft h et w of e a t u r e s mt h e l a s e r - t i ca r ch y b r i da r ev e r i f i e d t h ee x p e r i m e n t ss h o w t h a td u r i n gt h el a s e r - t i ca r c h y b r i dp r o c e s s e s ，t h eh y b r i dm o d ew i t h t h el a s e ra n dt h ed cp u l s ea r cc a ne f f i c i e n t l y a n ds t a b l yf o r mt h ed e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g a tt h i st i m e ，f r o mt h e s p e c t r a l i n f o n n a t i o n t h em e t a l l i cp l a s m ak e e p sa na p p r o p r i a t ee l e c t r o nd e n s i t y t om a i n t a i nt h e s t e a d va b s o r p t i o no fl a s e re n e r g yi nt h em o l t e np o o lt of o r mt h ed e e pp e n e t r a t l o n w e l d i n g n a r r o wa n dd e e pw e l d i n gs e a m sc a nb es e e n a st h et y p i c a ld e e pp e n e t r a t l o n w e l d i n gs e a m sf r o mt h ep r a c t i c a lw e l da p p e a r a n c e t h eq u a n t i t a t i v ee x p r e s s i o n ，c o m p a r a t i o na n da n a l y s i s o ft h el a s e r - t i ca r c h v b r i dw e l d i n gh e a ts o u r c ea r ei n v e s t i g a t e dt oe n h a n c et h ep h y s i c a lb a s i co f t h el a s e r - a r ch v b r i dh e a ts o u r c e m e a n w h i l e ，t h et h e o r yo ft h el a s e r - t i ca r ch y b r i dw e l d i n g t e c h n o l o g yi sa l s oe n r i c h e dw i t ht h eg u i d a n c e o ft h i si s s u e k e yw o r ds p e c t r o s c o p i cd i a g n o s i s ，l a s e r - t i ch y b r i dw e l d i n g ，t h e r m o d y n a m l c s p a r a m e t e rd i a g n o s i s ，c o m p l e xp l a s m a i v 目录 蔓曼量曼曼曼曼曼量曼曼曼曼罡鼍舅孽曼曼i 一 一l u 一一一 i 一一i 曼曼曼曼量皇曼吕曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇寰曼曼皇 日三置 日刊k 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 光谱诊断法的特点3 1 3 激光- t i g 电弧复合热源焊接的特点5 1 4 本课题的国外研究现状6 1 4 1 激光一t i g 电弧复合焊接工艺及应用方面的研究6 1 4 2 激光一t i g 电弧复合焊接物理现象方面的研究9 1 4 3 激光辅助引燃t i g 电弧的研究1 l 1 5 本课题的国内研究现状1 4 1 6 本课题的主要研究内容1 7 第2 章激光一tig 复合热源的光谱诊断系统及方法1 9 2 1 光谱观测系统的组成1 9 2 2 增强型c c d 光谱仪及其校正2 1 2 3 光谱分析方法及其原理2 3 2 3 1 电子密度的测量2 3 2 3 2 温度的测量2 6 2 4 谱线选取结果与处理2 9 2 4 1 金属元素谱线选取结果3 1 2 4 2 气体元素谱线选取结果3 2 2 5 光谱观测方法及触发装置3 4 2 5 1 激光引弧系统中光谱信息观测方法3 4 2 5 2 脉冲激光与t x g 电弧复合过程中光谱信息的观测方法3 5 2 5 3 连续激光与t i g 电弧复合过程中光谱信息的观测方法3 6 2 6 光谱分析误差估计3 7 2 7 本章小结3 9 v 北京丁业大学t 学博l j 学位论文 第3 章激光辅助引燃t i g 电弧机理研究4 1 3 1 引弧原理4 1 3 1 1 接触引弧4 2 3 1 2 非接触引弧4 3 3 1 3 焊接引弧的影响因素4 5 3 2 激光辅助引然t i g 电弧机理分析4 5 3 2 1 实验装置及条件4 5 3 2 2 激光辅助引燃t i g 电弧不同时刻的光谱信息4 6 3 2 3 激光引燃电弧过程电子密度观测4 7 3 2 4 高速摄像结果5 1 3 2 5 讨论5 2 3 3 小功率激光引弧系统5 3 3 3 1 设计小功率激光引弧系统5 3 3 3 2 小功率激光引弧光谱分析5 4 3 3 3 讨论5 5 3 4 本章小结5 8 第4 章脉冲激光与t i g 电弧复合热源的现象与光谱特征5 9 4 1 脉冲激光与t i g 电弧复合装置5 9 4 2 脉冲激光与直流t i g 电弧复合时的现象与光谱特征6 0 4 2 1 脉冲激光与直流正接t i g 电弧复合时的光谱特征6 0 4 2 2 脉冲激光与不同电流大小的直流正接t i g 电弧复合时的现象6 2 4 2 3 脉冲激光与直流反接t i g 电弧复合时的光谱特征6 4 4 2 4 脉冲激光与直流t i g 电弧复合过程的时间效应6 6 4 3 脉冲激光与交流方波t i g 电弧复合时的现象与光谱特征6 7 4 3 1 脉冲激光对金属等离子体电子密度的影响6 7 4 3 2 激光的作用对两极发射电子能力的影响6 8 4 4 本章小结7 0 第5 章连续激光与t i g 电弧复合热源的现象与光谱特征7 l 5 1 连续激光一直流t i g 电弧复合热源的现象与光谱特征7 1 5 2 连续激光一脉冲t i g 电弧复合热源的现象与光谱特征7 3 5 2 1 连续激光一脉冲t i g 电弧复合过程的光谱特征7 4 5 2 2 连续激光一脉冲t i g 电弧复合等离子体温度的讨论7 7 北京丁业大学t 学博l j 学位论文 此页空白 v i l l 目录 5 3 激光一交流t i g 电弧复合热源的现象与光谱特征7 9 5 3 1 连续激光作用于交流方波t i g 电弧e n 段光谱特征7 9 5 3 2 连续激光作用于交流方波t i g 电弧e p 段光谱特征8 0 5 3 2 连续激光作用于交流方波t i g 电弧过零段光谱特征8 l 5 4 对两种等离子体共存空间的讨论8 1 5 4 1 连续激光与不同输出方式t i g 电弧复合后电子密度比较8 2 5 4 2 金属等离子体电子密度增加的机理8 2 5 5 本章小结8 3 第6 章激光t i g 电弧复合热源特征研究的实验验证8 5 6 1 激光辅助引弧的实验验证8 5 6 1 1 激光引弧系统8 5 6 1 2 功率大小与引弧所需时间关系8 6 6 1 3 激光引弧过程电信号8 6 6 2 激光与不同输出方式电弧复合热源在实际焊接上的应用8 7 6 2 1 激光与直流t i g 电弧复合热源焊接结果8 7 6 2 2 激光与交流方波t i g 电弧复合热源焊结果8 8 6 2 3 激光与直流脉冲t i g 电弧复合热源焊结果8 9 6 3 激光一t i g 复合热源焊接在铝合金厚板中的实验验证9 0 6 4 本章小结9 1 结论9 3 参考文献9 5 攻读博士学位期间所发表的学术论文1 0 3 j s 【谢1 0 5 v n 第1 章绪论 曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼! 曼! 曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼舅! 曼曼曼曼舅曼鼍曼曼曼曼曼曼, 一一w m 皇曼曼曼曼曼曼皇量曼曼皇! 曼曼曼曼皇舅皇曼皇蔓曼曼曼曼 1 1 引言 第1 章绪论 激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一。激光焊接作为一种高质量、 高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，日益受到人们的关注。随着大功 率激光及激光装置的开发及其性价比的提高，激光焊接在机械制造、航空航天、 兵工、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等领域的应用越来越广。 同时，激光焊接也存在着不足。例如从设备角度看，激光焊接系统成本与弧焊相 比仍然较高；从工艺角度看，激光焊接焊缝冷却快，熔池存在时问很短，气体不 易析出，易产生气孔；从适用性角度看，对于高反射率材料如铝、铜等金属的激 光焊时，难以形成深熔焊；另外，激光光束聚焦点小，使焊缝太窄导致跟踪、对 中的困难，对接头准备、焊接位置及焊接厚度等要求较严格。 为了弥补激光焊接的不足之处，推广其工程应用，近年来激光与其它热源的 复合焊接技术同益得到重视与发展。其中激光一电弧复合焊接技术是激光复合焊 接技术研究中的一个热点。这种焊接方法既具备一般电弧焊工艺适应性好的特 点，又具备激光作为焊接热源的大熔深、高速、低变形特点，它是近几年迅速发 展起来的优质高效焊接技术之一。 激光一电弧复合焊接技术自英国伦敦帝国大学学者w s t e e n 于2 0 世纪7 0 年 代末期首次提出以来，就显示出了它的特有的优越性和应用潜力。其主要思想 就是有效的利用激光与电弧两者的能量，在较小的激光功率条件下获得较大的焊 接熔深，同时提高激光焊接对焊接间隙的适应性，实现高效率、高质量的焊接过 程心1 。它是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作 用于同一加工位置，激光与电弧的复合使得两种热源既充分发挥了各自优势，又 相互弥补了对方的不足，从而形成了一种全新高效的热源。从工艺角度来看，显 示了很好焊接参数适应性和自动化焊接的可行性；从能量的角度看，焊接效率的 提高是复合焊接最显著的特点，同时，复合热源的能量显著大于两种热源的简单 叠加。”。激光与电弧相互作用形成的是一种增强型的焊接方法，它避免了单一的 焊接方法的缺点与不足，具有提高能量、增大熔深、稳定焊接过程、降低装配条 件、实现高反射材料的焊接等许多优点。 已有研究表明3 1 ，在中小电流时，电弧等离子体对激光的屏蔽作用相对弱， 北京t 业犬学丁学博l j 学位论文 电弧挺度也教小，激光匙孔可以稳定存在，此时非常有利于弧根压缩与吸收，复 合电弧电流能量密度增大，可以获得较大的熔深，表现为复合熔深焊特征。当电 流增大到某一临界值时，电弧温度很高、挺度大，电弧等离子对激光的屏蔽作用 增大，激光穿过电弧后能量损失较大，导致工件表面的激光能量不足以维持匙孔 存在，电弧弧根不再被压缩，电弧电流密度较之降低，仅能获得浅而宽的焊缝界 面，焊缝特征表现为热导焊接。而且激光功率越大，对电弧的吸收、压缩能力越 强，复合热源焊接机制转变的临界电流越高。此外，复合焊接机制的转变还与激 光束和电弧的复合方式( 同轴或者旁轴) 、作用位置、激光能量的输出形式( 脉冲 或者连续波激光) ，以及激光的波长等因素有关。 激光一电弧复合焊接是一种新兴的焊接技术，目前国内外广大学者对复合焊 接的研究主要集中在复合焊接工艺和焊接质量方面，对激光与电弧相互作用的物 理过程及其本质特性的研究较少。以往由于观测手段的限制，即使对单一电弧焊 接过程的热物理量观测及其时间经历也是焊接电弧物理研究中的一个难点。近年 来，先进光谱测试设备的发展为观测焊接的瞬间过程提供了条件，与经典的光谱 诊断方法相结合，有力地促进了对复合焊接电弧的各种动态过程的深入认识。 光谱诊断是针对等离子体辐射的一种测量分析方法，其原理是借助光谱仪器 将等离子体的辐射信号分解为光谱信号，再根据光谱强度、谱线轮廓与电弧等离 子体内部温度、粒子浓度、成分的关系等规律来反映电弧内部的物理状态及其过 程h 1 。2 0 世纪6 0 年代，g r i e m 等人从量子理论和统计力学的角度，系统地阐述 了定量光谱测试的理论临1 ，提供了关于原子和离子的跃迁几率、谱线强度、展宽 和位移等详细数据，并给出了理论模型的实用判据及各种诊断方法的应用实例， 从而使等离子体光谱诊断法在理论和实验上都同趋成熟。将光谱理论应用于焊接 技术领域是开始于上世纪6 0 年代。e a s t o a t s 等人利用光谱理论对铝极m i g 焊 焊接电弧中氩谱线进行分析得到了电弧温度m 1 。他又用同样的方法对铁极m i g 焊电弧温度进行了研究，得出其轴向温度约为8 0 0 0 k 。之后，人们对电弧等离子 体光谱诊断不但涉及温度场，还涉及压力、电弧成分分布等领域，其理论研究也 日趋深入。例如阐述了电弧等离子体的局部热力学平衡和光学薄的性质，建立了 双线法、多线法等更加可行的测温方法以及分析等离子体内部电子密度的s t a r k 展宽法等。目前，焊接电弧的光谱诊断已经成为一种较为成熟的分析方法。 近年来，随着光谱分析技术的发展和测试装置的改善，不仅能够提高光谱信 息在时空上的分辨率，而且数据处理能力也得到很大增强。这就为激光一t i g 电 弧复合焊接电弧等离子体物理参数的诊断提供了有利的条件。 2 第1 章绪论 本课题“激光- t i g 电弧复合焊接热源的光谱诊断”就是以上背景提出的。 激光一t i g 电弧复合焊接热源的机理，既是焊接工作者们甚为关心的专业基础问 题，也是焊接工艺理论问题。应用先进的光谱诊断技术可以对激光- t i g 电弧复 合焊接中的复杂的物理现象进行诊断和控制，是提高和发展焊接技术的一种有效 的方法，具有重要的理论和实际意义。 一方面，这个课题是发展焊接电弧物理理论的一个重要内容。随着光谱分析 技术及其仪器设备的迅速发展，通过研究等离子体发射光谱来得到焊接电弧物理 参数的方法，越来越多地应用于焊接电弧现象与机理的研究领域中。研究复合焊 接电弧的辐射在时域和空间分布等方面的研究，可以揭示复合焊接电弧的光谱现 象和其物理本质的联系。本课题正是采用发射光谱分析技术来开展本文的研究工 作。研究激光- t i g 电弧复合焊接热源在不同焊接条件、不同时刻等离子体中重 粒子温度的分布、电子密度的分布、各种粒子( 包括气体原子、离子、电子等) 的浓度分布及其变化特征，在定性认识的基础上进一步获得激光一电弧复合焊接 物理特性的定量认识。其中包括激光与电弧相互作用的关系，多元气体条件下复 合电弧的物理特征及其工艺机理，复合等离子体产生过程的研究等，这些研究都 将进一步丰富人们对于激光一电弧复合焊接的物理本质的认识。 另一方面，在激光一电弧复合焊接的实际应用中，克服激光等离子体的阻碍 作用，提高激光的穿透能力和能量利用率是国内外焊接工作者关注的热点。因此， 深入研究两种热源相互作用机理，也将促进激光一电弧复合焊接工艺理论的发展 及其对工业应用的指导作用，对于寻求新的复合焊接工艺和丌发新的焊接设备， 也有着重要的指导意义。 综上所述，本课题的研究，一方面，有助于提高人们对复合焊接电弧等离子 体的科学认识、促进电弧物理研究的不断发展；另一方面，有助于完善当前的激 光一电弧复合焊工艺、提高焊接设备的设计水平、保证最终的焊接质量。由此可 见，开展激光- t i g 电弧复合焊接的机理的研究在理论和应用研究上都有着重要 的意义。 1 2 光谱诊断法的特点 等离子体是指电离的气态物质，它被称为物质的第四态。等离子体作为物质 存在的一种独立形态，它具有导电性、电准中性和与磁场的可作用性等。等离子 体按温度分为高温等离子体( 粒子温度为1 0 l 1 0 8 k ) ，低温等离子体( 粒子温度从 北京t 业大学t 学博l j 学位论文 室温到3 1 0 4 k ) 。按粒子密度分为致密等离子体和稀薄等离子体。按产生等离子 体的途径分为燃烧等离子体、激光等离子、电弧等离子体等。按照产生电子的元 素分为气体等离子和金属等离子体等口3 。激光束是一种高能密度热源，当其辐射 到金属材料上时会产生大量的金属蒸汽和高温高密度等离子体。其结果随着激光 等离子体密度的增加会严重的吸收、散射、反射激光能量，降低激光束对焊件的 穿透能力。而电弧焊中也伴随着力、热、电、磁、光辐射等各种效应，而且电弧 等离子体中粒子成分复杂，各种粒子还存在着解离、复合、能级跃迁等等，导致 了电弧现象的复杂性。这两者的结合更给研究带来了复杂性，其结果导致人们对 这些问题的物理本质的认识甚为不足。 与一般热源相比较，激光一电弧焊接过程所处的应用环境十分复杂。首先， 焊接区间气体温度非常高，通常为3 0 0 0 k 3 0 0 0 0 k 哺1 ，并在多数情况下存在时变 性，很难进行直接测量；其次，激光与t i g 电弧的复合焊接区成分复杂，由保护 气体成分、电极和工件材料产生的金属蒸气以及杂质气体组成，包含有分子、原 子、离子、电子等多种粒子。可见，要直接得到其内部的状态及各种运动过程的 参数非常困难，只能通过问接的手段来获得一些相关数据，从中推断出等离子体 内部的情况，上述特点为发射光谱诊断法来研究激光一t i g 电弧的机理提供了十 分广阔的应用前景。因此，采用等离子体的发射光谱分析方法应用于激光一t i g 电弧复合焊接过程等离子体的研究，从而得到激光一t t g 电弧复合焊接的机理， 是一种行之有效的手段。 光谱法的主要研究对象是光的辐射，该辐射是一种复合的电磁波，与普通的 电磁波一样也是由各种频率分量合成而来，其中每个频率分量可以看作是某一维 子向量，这些作为子向量的频率分量中必含有反映电弧某一特征的特征向量，如 果对其进行分析，就可以获得高品质的光谱信号，故利用光谱对焊接电弧进行研 究是十分可行的。同时，它也具备了诸多优点。 ( 1 ) 信息量丰富光谱是从光辐射电磁波分解出来的，每种元素均有其特 定波长的特征谱线分布，研究表明：光谱强度能反映出焊接区热力学系统的全部 热力学参量。 ( 2 ) 灵敏度高、选择性好元素的谱线是原子或离子的外层电子在能级间 跃迁发出的，所以它在光谱中具有固定的位置，即使当被测粒子的浓度在百万分 之一的时候，仍然可检测出来它的存在，因而具有很高的灵敏度。并且，针对 不同的被测成分可选择其相应的谱线进行检测，故而选择性好。 ( 3 ) 可进行整体频域和单一谱线时域的检测在光谱检测系统中，采用比 4 第1 币绪论 较先进的光谱仪、c c d 摄像仪并与微机相结合，可在同一时间实现对整个谱段的 谱线进行采集，减小了试验的误差固1 。 ( 4 ) 无介入性，不干扰被测对象因为光谱法是间接测量，并且与被测对 象无任何光电的联系，故这种方法不会对电弧产生任何的影响，保证了试验的客 观性和准确性。 本课题根据光谱理论，运用等离子体的光谱分析技术，对激光与t i g 电弧复 合后产生等离子体的热力学状态参数进行观测，并与传统t i g 电弧和单纯激光作 用下等离子体的热力学参数进行比较，得出激光- t i g 电弧复合焊接状态下，激 光与电弧作用的物理参数的变化规律，从而揭示激光与t i g 电弧相互作用的机 理，以便进一步指导实际焊接工艺的发展。 1 3 激光一tlg 电弧复合热源焊接的特点 激光与t i g 电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴 激光一电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量 受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法 则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地实 现二维和三维焊接。 采用激光加电弧作为焊接热源时，二者之间相互作用，一方面电弧强化激光， 稀释等离子体、预热工件以提高金属对激光的吸收率：另一方面激光可引导电弧， 使弧柱的电阻减小，场强降低，增加电弧的稳定性n 引。因此，复合热源具有以下的 工艺特点叫引。 ( 1 ) 高效节能熔融状态的金属的反射率要比固态金属表面的反射率低的 多。由于电弧的加入，增强提高了工件对激光的有效吸收，加之电弧热输入的摄 取，可以大幅度降低激光器的功率输出，从而节约成本。这意味着降低了激光器 的功率等级同时提高了焊接效率，实现降低焊接成本。 ( 2 ) 减少焊接缺陷和改善微观组织由于电弧的加入使复合焊接过程熔池 的凝固时间延长，是镶边能够充分的进行。这样有利于焊接熔池中气体的逸出， 从而提高焊缝治疗，减少焊接缺陷。 ( 3 ) 可进行高速焊由于电弧对激光等离子体的稀释作用以及电弧对工件 的预热作用，提高了激光的有效利用率；再与电弧热输入叠加，有利于增加熔深， 实现高速焊接。由于电弧作用，熔池宽度增加，提高了坡口间隙的允许公差，使 北京t 业人学t 学博 j 学位论文 得焊缝跟踪更加容易。激光产生的等离子体对电弧的吸引和压缩可稳定焊接电 弧，从而使焊接过程更稳定。 ( 4 ) 改善焊缝成形调节两种热源参数，可改善焊缝成形，热影响区小。激 光- t i g 复合热源在高速焊条件下，可以得到稳定的电弧，焊缝成形美观，减少 了气孔、咬边等焊接缺陷的产生。尤其是低电流、高焊速和长电弧时，激光一t i g 复合热源的焊接速度比t i g 焊可以高出数倍至十几倍，这是常规t i g 焊难以做到 的 3 1 。 1 4 本课题的国外研究现状 1 4 1 激光一tig 电弧复合焊接工艺及应用方面的研究 1 9 7 8 年伦敦帝国大学的w s t e e n 对电弧加激光焊接进行了研究，首次提出 了激光一电弧复合焊接技术。他们的研究清晰的表明等离子体电弧和c 0 2 激光的 复合过程与单纯的激光焊接相比能提高焊接速度5 0 - 1 0 0 ，提高熔深2 0 n ，朗。 但这些结果并没有在激光复合焊接的领域得到很快的应用。 1 9 8 1 年，美国俄亥俄州立大学的d i e b o l d t p 和a l b r i g h tc e 等人研究 了铝合金5 0 5 2 的激光- t i g 电弧的复合焊接工艺，得到如下结论引。 ( 1 ) 在焊接3 2 m m 厚的铝合金5 0 5 2 板时，激光一t i g 电弧焊接过程中，采用 7 0 a 电流时，焊接速度可达到3 0 5 m m i n ，并能得到持续稳定的焊缝质量。然而 t i g 焊时，最大焊接速度只达到2 0 3 m m i n 。研究还发现，不论如何调节行驶速 度，用6 0 0 w 的持续激光波长能量时，单一的激光束焊接过程并不能产生表面融 化。 ( 2 ) 激光一t i g 焊接技术，能提高焊缝的一致性，特别是在高速和低电流的t i g 焊时更为显著。 ( 3 ) 实验中发现，在用6 0 0 w 的激光能量水平t i g 焊的阳极斑点稳定性是激光 与t i g 电弧相互作用的主导。用激光一t i g 焊接方法提供了在小的焊接电流状态 下，稳定的、高的焊接速度方式。 2 0 0 1 年德国的h a c k i u s 研究了铝合金激光复合焊接的机械特性和气孔等现 象。文章认为，由于低的热输入，激光复合焊接能明显的适合自由扭曲的铝合金。 然而在应用方面面临着很多问题，例如差的状态稳定性和焊接缺陷等。激光和电 弧的复合技术能增加焊接质量，此外，通过多功能焊接几何学能拓展激光电弧复 合焊接的应用领域。激光复合焊接在汽车领域的潜在应用呈现了一个对气孔的影 6 第1 章绪论 皇曼曼曼曼曼曼曼i iii|li 曼曼曼曼鼍曼 响结果、机械性能和焊接几何学相结合的例子n 5 1 。 2 0 0 2 年日本k i n k i 大学的f u j i n a g a 等人研究了铝合金和y a g 激光的t i g 复 合焊接的特征。由于铝合金焊接中的高的热传导、高的反射率、低的表面张力、 大的收缩、宽的凝固温度范围等原因，当铝合金被用调整为垂直的激光光束焊接 时，会产生很多飞溅和凝固裂缝。因此，通常在铝合金焊接中，可以适当的调整 光束或连续光束来实现，尽管得到的熔深比较浅。在他们的研究中，用i f 弦或方 波调制的y a g 激光和t i g 电弧复合用来改善a 6 0 6 1 铝合金的焊接质量，并将t i g 电弧安置在y a g 激光束的后面，这样得到了较深的熔深和好的焊接质量，而且不 会产生明显的飞溅和裂缝引。 2 0 0 3 年，日本三菱重工公司的i s h i d e 等人研制出了y a g 激光与电弧的同轴 复合焊接系统。研究中发现，在同轴的m i g 、t i g - y a g 焊接中，让激光束的聚焦 位置与焊丝或电极作用在电弧的相同位置，这样光束照射区域能接近电弧发生位 置