（机械工程专业论文）激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究.pdf

。 ：鍪耋墼墅墼丝型墼墼丝堡塑塑堡丝垒一 = = ! # 目$ ! s ! ! _ ! ! ! ! ! ! = 2 1 ! ! = = $ = = = # = 0 = = ! = = = = = o # _ = # ! ! = 2 2 。2 2 2 2 2 5 一一 摘要 小孔效应是激光深熔焊接的本质特征。本文首先介绍了国内外激光焊接技术的发展 和研究概况。继而从小孔形貌、菲涅尔吸收和反韧致辐射吸收等方面分析了国内外对小 孔效应的研究现状。由于小孔效应的机理非常复杂，国内外目前对小孔效应的研究主要 集中在定性分析或利用高度简化的模型进行简单的定量计算。针对小孑l 效应研究存在的 主要闷题，本文在实验观测小孔形状和孑l 内等离子体辐射光谱的基础上，综合考虑菲涅 尔吸收和反韧致辐射吸收在激光深熔焊接过程中的综合作用，定量计算了小孔孑l 壁通过 菲涅尔吸收和反韧致辐射吸收的激光功率密度分布，对激光深熔焊接小孔效应的机理进 行了深入系统的研究。 首先，采用特殊设计的小孔观测实验装置，通过高速摄影方法掐摄了c 0 2 激光深熔 焊接铝合金6 0 1 6 的小孔形貌，并利用p h o t o s h o p 和m a t l a b 等软件将小孔图片转化为数 学模型。在假设d , - t l 横截面为圆形的前提下，重构了三维小孔，为d , - x 效应的理论研究 奠定了基础。 然后，采用特殊设计的光谱观测实验装置，通过光谱仪和c c d 直接采集了深熔焊 接铝合金6 0 1 6 时孔内等离子体的辐射光谱，包括沿孔径和深度两个方向的光谱信号。 利用a b e l 逆变换和光谱相对强度法计算了沿孔径芹i - t l 深方向的等离子体电子温度分布。 接着，利用光谱信号和孔内的平均电子温度，结合光谱的半高全宽值计算了小孔内的电 子密度分布，并分析了孔内等离子体的电子温度和电子密度的变化规律。 最后，根据几何光学理论通过追踪光束在孑l 内的传播路径，计算了小孔孔壁通过菲 涅尔吸收和孔内等离子体的反韧致辐射吸收的激光功率密度。研究结果表明：在激光深 熔焊接铝合金6 0 1 6 过程中，通过反韧致辐射吸收的激光能量密度比通过菲涅尔吸收的 高出两个数量级，占据着主导地位。 关键词：小孑l 效应；菲涅尔吸收；反韧致辐射吸收；等离子体；电子温度；电子密度 h a b s t r a c t k e y h o l ee f f e c t sa r et h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i ci nd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g i nt h i s a r t i c l e ，t h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ho nl a s e rw e l d i n gt e c h n i q u ea th o r n e a n da b r o a da r ei n t r o d u c e da tf i r s t a n dt h e n ，t h ed o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c ho nk e y h o l e e f f e c t si sa n a l y z e dt h r o u g hk e y h o l ep r o f i l e ，f r e s n e la b s o r p t i o na n di n v e r s eb r e m s s t r a h l u n g a b s o r p t i o n b e c a u s et h em e c h a n i s mo fk e y h o l ee f f e c t si sv e r yc o m p l i c a t e d ，r e c e n ts t u d i e sa t h o m ea n da b r o a da r em a i n l yc o n c e n t r a t e de i t h e ro nt h e q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ro ns i m p l e q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nw i t hh i g h l ys i m p l i f i e dm o d e l c o n s i d e r i n gt h em a i np r o b l e m so f p r e s e n ts t u d i e so fk e y h o l ee f f e c t s ，o nt h eb a s i so ft h ek e y h o l ep r o f i l ea n dt h es p e c t r ae m i t t e d f r o m k e y h o l ep l a s m a ，b o t h o fw h i c ha r eo b s e r v e d d i r e c t l y i nt h e e x p e r i m e n t t h e c o m p r e h e n s i v ee f f e c t so ff r e s n e la b s o r p t i o na n di 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 na r e s t u d i e dd u r i n gd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n gi nt h ea r t i c l e t h ed i s t r i b u t i o no fl a s e r i n t e n s i t y a b s o r b e db yt h e k e y h o l ew a l lt h r o u g hm u l t i p l er e f l e c t i o n sa n df r e s n e la b s o r p t i o n ，i s q u a n t i t i v e l yc a l c u l a t e d a n dt h e n ，t h em e c h a n i s mo fk e y h o l ee f f e c t si ss t u d i e dd e e p l ya n d s y s t e m a t i c a l l y f i r s t l y ，w i t has p e c i a l l y d e s i g n e de q u i p m e n tw h i c hi su s e dt oo b s e r v ek e y h o l ep r o f i l e ， t h ek e y h o l ep r o f i l ei so b t a i n e db yh i g h s p e e dp h o t o g r a p h ym e t h o dd u r i n gd e e pp e n e t r a t i o n c 0 2l a s e rw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y6 016 a n dt h e n ，b ym e a n so fs o f t w a r ep h o t o s h o pa n d m a t l a b ，t h ek e y h o l ep r o f i l ei st r a n s f o r m e di n t om a t h e m a t i c a lm o d e l u n d e rt h ea s s u m p t i o no f c i r c u l a rc r o s ss e c t i o no ft h ek e y h o l e ，a3 d k e y h o l ei sr e c o n s t r u c t e d ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o n f o rt h et h e o r e t i c a ls t u d yo fk e y h o l ee f f e c t s s e c o n d l y ，w i t has p e c i a l l y - d e s i g n e de q u i p m e n tw h i c hi su s e dt oo b s e r v es p e c t r a ，b y m e a n so fs p e c t r o g r a p ha n dc c d ，t h es p e c t r ae m i t t e df r o m k e y h o l ep l a s m ai so b t a i n e dd i r e c t l y d u r i n gd e e pp e n e t r a t i o nc 0 2l a s e rw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y6 016 ，i n c l u d i n gt h es p e c t r a a l o n gk e y h o l er a d i u sd i r e c t i o na n dd e p t hd i r e c t i o n t h r o u g ha b e lr e v e r s et r a n s f o r ma n d r e l a t i v el i g h ti n t e n s i t ym e t h o d ，e l e c t r o nt e m p e r a t u r eo fk e y h o l ep l a s m ai sc a l c u l a t e db o t hi n k e y h o l er a d i u sd i r e c t i o na n dd e p t hd i r e c t i o n a n dt h e n ，w i t ht h es p e c t r aa n da v e r a g ee l e c t r o n t e m p e r a t u r ei nt h ek e y h o l e ，c o m b i n i n gw i t hf u l lw i d t ha th a l fm a x i m u mo fs p e c t r u m ，t h e d i s t r i b u t i o no fe l e c t r o n d e n s i t yi nt h ek e y h o l ei sc a l c u l a t e d i na d d i t i o n ，t h ec h a n g i n g r e g u l a r i t yo fe l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t yo fk e y h o l ep l a s m ai sa n a l y z e d a tl a s t ，a c c o r d i n gt og e o m e t r i c a lo p t i c st h e o r y ，t h a th o wl a s e rb e a mp r o p a g a t e si nt h e k e y h o l ei st r a c e d ，a n dt h el a s e ri n t e n s i t ya b s o r b e db yk e y h o l ew a l lt h r o u g hf r e s n e la b s o r p t i o n l i l 激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究 a n di 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 no fk e y h o l ep l a s m ai sc a l c u l a t e d r e s u l t si n d i c a t et h a t ， d u r i n gd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y6 0 16 ，i n v e r s eb r e m s s t r a h l u n g a b s o r p t i o no fk e y h o l ep l a s m ap l a y sad o m i n a n tr o l ei na b s o r b i n gl a s e rp o w e rc o m p a r e dw i t h f r e s n e la b s o r p t i o n t h el a s e ri n t e n s i t ya b s o r b e dt h r o u g ht h ef o r m e ri ss o m eo r d e r sh i g h e rt h a n t h a tt h r o u g ht h el a t t e r k e yw o r d s ：k e y h o l ee f f e c t s ；f r e s n e la b s o r p t i o n ；i 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 n ；p l a s m a ； e l e c t r o nt e m p e r a t u r e ；e l e c t r o nd e n s i t y l v 硕士学位论文 插图索引 图2 1 观测实际小孔的实验装置图8 图2 2 改进后的试件示意图9 图2 3 焊接后工件装置图9 图2 4d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器及其模式9 图2 5s e s a m o 型三维激光切割机床1 0 图2 6 1 5 2 jp y r e x 玻璃对不同波段的光线的透光率1 2 图2 7 实际拍摄的小孔形貌一1 4 图2 8 重构的3 d 小孔1 4 图3 1 光谱采集实验装置图一1 6 图3 2 数控二维电动位移台1 6 图3 3 有四根纤芯的集成光纤一1 6 图3 4 光谱仪和c c d 1 7 图3 5 试验中观测的光谱一1 9 图3 6 光栅效率示意图1 9 图3 7 数据处理时用到的特殊光谱2 0 图4 1 离散激光束示意图一2 3 图4 2 激光的多次反射示意图一2 5 图4 3 判定反射光线下次入射位置的示意图一2 9 图4 4a b e l 变换示意图一3 0 图4 5p e a r c e 方法31 图5 1 电子温度随小孔深度方向的变化一3 6 图5 2 在小孔深度l m m 处，电子温度在半径方向上的变化3 7 图5 3 在小孔深度l m m 处，电子密度沿小孔径向的分布3 8 图5 4 电子密度随小孔深度的变化示意图一3 9 图5 5 菲涅尔吸收在小孔前沿的分布一4 0 图5 6 菲涅尔吸收在小孔后沿的分布一4 0 图5 7 光束在小孔孔内的分布情况一4 1 图5 8 光束在小孔内传播的示意图一4 2 图5 9 菲涅尔吸收随孔深方向的分布4 2 图5 1 0 一束激光在小孔内多次反射的示意图4 3 图5 1 1 激光功率密度在小孔深度方向上的总体分布4 4 激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究 图5 1 2 总的激光能量密度在小孔前沿的分布4 5 图5 1 3 总的激光能量密度在小孔后沿的分布4 5 总图1 改进后光纤示意图4 8 v i l l 硕士学位论文 附表索引 表2 1s e s a m 0 型三维激光切割机床技术参数1 0 表2 2g g l7 和p y r e x 玻璃的物理化学性能1 l 表2 36 0 1 6 铝合金化学成分1 2 表2 4 实际小孔的像素点1 3 表3 1s p e c t r a p r o - - 2 3 5 6 主要技术指标17 表3 2p i x i s ：4 0 0 f 主要技术指标1 7 表4 1 两条铁谱线相对应的参数3 2 表4 2 铁镁谱线的参数3 5 表5 1 在小孔深度1 m m 处，沿小孔径向的半高全宽值3 8 表5 2 小孔深度深度方向上的半高全宽平均值一3 9 i x 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 6 0 年，美国人梅曼研制出了世界上第一台激光器红宝石激光器。在随后的几 十年里，激光技术得到了迅猛发展，在多个领域中发挥着越来越重要的作用。目前已涉 及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。 为满足各行业的技术要求，随着科学技术的迅猛发展，各种激光器相继出现。按激活媒 质的物质状态来分类，可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器； 按激活媒质的粒子结构来分类，可分为原子激光器、离子激光器、分子激光器和自由电 子激光器。 在机械加工领域，最为常用的激光器有c 0 2 激光器、y a g 激光器和光纤激光器。 目前，应用比较成熟的技术有激光切割、激光焊接、激光打孔、激光打标、激光热处理 和表面热处理等。激光加工作为先进的制造技术，必将在工业制造中发挥越来越重要的 作用，本文将着重研究激光深熔焊接技术的机理。 1 2 激光焊接技术概述 激光焊接技术的发展历经了固体受激物质一气体受激物质一固体受激物质、脉冲激 光焊接一连续激光焊接、低功率高功率、薄板一厚件、低速高速、低频一高频及低效 高效的历史【。随着高功率c 0 2 和高功率的y a g 激光器以及光纤传输技术的完善、金 属铝焊接聚束物镜等的研制成功，焊接技术的应用也越来越广泛。 激光焊接有两种基本方式：热导焊( 也称传导焊，h e a tc o n d u c t i o nw e l d i n g ) 和深熔 焊( d e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g ) t 2 1 。两者都是将高强的激光束直接辐射至材料表面，通过激 光与材料的相互作用使材料局部熔化实现焊接。激光与材料的相互作用过程中，同样会 出现光的反射、吸收、热传导及物质的传递。在热导焊中，激光的功率密度范围一般在 1 0 4 1 0 6 w c m 2 。以热传导为主要传热方式的焊接模式，在焊接过程中，不出现材料的大 量蒸发，熔池中的最高温度也不超过材料的沸点，不产生非线性效应和d , ；f l 效应；而在 深熔焊接中，激光的功率密度范围一般在1 0 6 1 07 w c m 2 ，材料被熔化汽化，焊接过程中 形成+ t l 。4 , t l 的形成大大加强了材料对激光的吸收。 临界功率密度为7 0 1 0 5 w c m 2 【引。在临界点，即在给定的焊接速度、离焦量和保护 气流量的情况下，焊接激光功率在临界点时，焊接的模式将在热导焊和深熔焊二者之间 来回跳变，出现焊接模式不稳定的现象。在实际的焊接加工过程中，这种焊接模式跳变 的现象是出现在一定的焊接参数范围之内，并不是一个点上【4 】。而热导焊和深熔焊相比， 激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究 这两种激光焊接方式最根本区别在于：前者的熔池内没有形成小孔，而后者材料被蒸发 汽化，当材料气体的膨胀压力与熔池的静压力( 由重力引起) 、熔池的表面张力以及液体 金属流动阻力之间达到平衡时，就形成了小孔。在热导焊过程中，系统较稳定，因为激 光束的辐射并没有穿透被焊的材料，所以在热导焊的过程中焊缝不容易被气体侵入；然 而在深熔焊时，小孔的不间断关闭易促使气孔形成。此外，在同一焊接过程中，这两种 焊接方式还可以相互转化，这种由热导方式向深熔方式的转变主要取决于峰值激光的能 量密度和激光脉冲的持续时间。在激光焊接过程中，在激光与材料相互作用的期问，激 光脉冲能量密度的时间依赖性能够使焊接模式由一种方式向另一种方式转变。在焊接过 程中，可以调节激光焊接过程中各因素相互作用的程度，使得小孑l 建立后能够在脉冲间 歇阶段收缩，以减少气体入侵的可能性，降低气孔产生的倾向；还可以调节激光功率密 度随时间的分布，减少熔池的热梯度，降低焊接接头凝固裂纹产生的倾向。 小孔效应是激光深熔焊接的本质特征。高能量密度的激光束可由平面光学元件( 如 镜子) 导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊件上。一部分光束能量被工 件表面反射，剩下的部分被：工件吸收，从而给工件加热、熔化、汽化，进而在材料汽化 膨胀压力的作用下在光束作用处形成了一个“匙孔”( k e y h o l e ) ，亦称“小孔”。激光焊 接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶 有使用。激光焊可以与m i g 焊组成激光m i g 复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量 比m i g 焊大为减小。 激光深熔焊接是大功率激光器的主要应用之。激光深熔焊接和普通焊接方式比有 很多优点：( 1 ) 由于激光束易于聚焦和能量高度集中，焊接时，热影响区域小，因而 热传导所导致的焊接变形较小。特别适合于焊接精密部件、热敏感部件以及高强度部件。 ( 2 ) 焊接速度较快，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。( 3 ) 环 境污染小，不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。( 4 ) 激光束易于控制，从而 易于实现自动化。( 5 ) 焊缝的深宽比大，焊缝的深宽比大于1 ，甚至高达1 2 ：1 1 5 1 。( 6 ) 焊缝强度大，焊接质量较好。( 7 ) 可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。 ( 8 ) 加工精度高，不受磁场的影响，易于实现精密仪器的焊接。( 9 ) 焊接设备简单， 可在温室下或特殊环境下实现焊接。( 1 0 ) 焊接高效安全，不需要工作人员手动控制。 ( 11 ) 激光焊接属于非接触式焊接，机具不易损坏变形，使用寿命长。 在激光技术的发展和应用方面，国内和世界发达国家相比还存在一定的差距。比如 说，以美国、欧盟以及日本为首的工业发达国家都把激光技术规划到国家发展计划中， 进行巨额投资，对激光技术的发展与应用非常重视。这些国家仅就激光焊接这一项加工 技术，将其与航天工业、航空工业、国防武器工业、核能设备、造船工业、铁路车辆工 业、汽车工业、机械零部件、建材业、电子工业及家电业等进行分别组合，利用集成和 系统的工程方法进行经费资助，研究开发。目前，国内一些激光设备与生产单位主要生 产k w 级的c o z 激光设备和低于1 k w 的固体y a g 激光加工设备。而对激光焊接的研 2 硕士学位论文 究主要集中在激光焊接过程中等离子体的形成机理、检测、控制、特性分析、深熔激光 焊接模拟、激光堆焊、激光一电弧复合热源的应用、超级钢焊接、宽板激光拼焊、水下 激光焊接、铝合金激光焊、填丝激光焊以及激光焊接的质量控制等1 1 。 1 3 小孔效应的研究现状 小孔效应作为激光深熔焊接的本质特征，得到了国内外广泛的研究。在研究激光加 工方面，d , t l 效应是关键，也是研究激光深熔焊接的热点和难点。做好d q b 效应的研究， 不仅需要研究d , t l 的形成条件，而且需要研究小孔的尺寸、形貌、稳定性及其影响因素， 但更为重要的是研究小孔效应在激光焊接过程中所起的作用。由此可见，研究激光深熔 焊接的小孔效应不仅具有较高的理论意义，而且还有重要的实用价值。目前国内外的研 究主要集中在试验研究和模拟研究这两个方面。其中，试验研究是模拟研究的基础，直 观性比较强，但是所需的研究费用高、时间长，而且研究的结果往往缺乏系统性和归纳 性。与之相反，通过对小孔效应的模拟研究，不仅能帮助我们加深对激光深熔焊接机理 的认识，而且还能估计加工参数和条件对激光焊接结果的影响，进而帮助优化焊接工艺 参数，缩减试验的研究费用和时间。不过，模拟研究的结果是否正确，还是要通过实验 来验证。 1 3 1 小孔形状的研究 为深入研究激光深熔焊接的机理，国内外对小孔形状做了大量的模拟研究，迄今为 止，建立了为数众多的数学模型。归纳起来，有以下几种简化的处理方式。由于激光深 熔焊接过程中产生的小孔的直径很小，最直观、最简单的处理方式就是把小孔看成一个 移动线热源。j a e g e r 6 】最早提出了移动热源理论。随后r o s e n t h a l 。7 】针对薄板的传统焊接 方法，最早建立了移动线热源的模型，并求出了其解析解。这种模型成为了后续许多激 光深熔焊接模型的基础。基于此模型，1 9 7 9 年，a n d r e w s l 8 1 计算出了不同p e c l e t 数下的 熔化等温线，而s w i f t h o o k 和g i c k t 9 1 、 c l i n e 和a n t h o n y 10 1 、p e r e t z 1 1 1 分别在1 9 7 3 年、 1 9 7 7 年和1 9 8 7 年建立了相应的线移动热源模型。有所不同的是：前两者没有考虑焊接 过程中的固液相变问题，把热源看成一维线移动模型，而第三者考虑了激光焊接过程固 液相变的影响，把热源看成二维移动模型。总的来说，在上述的移动线热源模型中，都 将小孔视为一条直线，并且使线热源的位置与激光光轴始终保持重合。但激光深熔焊接 的实际情况并不是这样的。事实上，在焊接过程中，小孔中心线并不与光轴重合，而是 偏斜一定的角度。而小孔中心线在与其移动方向相反的方向上会发生弯曲。激光深熔焊 接的试验研究已经证实了这一点。1 9 9 4 年，k a p l a n 1 2 】利用r o s e n t h a l 的移动线热源模型 得到了温度场的解析解，然后进一步推导出小孔孔壁上各点的热流密度计算公式，利用 小孔孔壁各点的能量平衡方程，逐点计算并建立了激光深熔焊接过程中的小孔数学模 激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究 型。在此模型中，并不假设线热源是与光轴重合的直线，而是通过能量平衡方程来确定 不同小孔深度线热源与激光光轴的相对位置。 在实验研究中，通过观测激光深熔焊接焊缝的截面形状可以发现：焊接条件不同， 焊缝的截面形状也会出现差别，有酒杯形、钉子头形等。这是因为，在激光深熔焊接过 程中，产生了大量的等离子体，等离子体的出现对工件对激光的吸收有重大影响。焊接 条件不同，产生的等离子体的强度、形状和位置也不同，进而导致了d , t l 和焊缝形状的 不同。在焊接过程中，产生的等离子体的温度非常高，所以其本身就相当于一个高温热 源，而上述模型都没有考虑等离子体对小孔形状的影响，显然是不符合多数激光深熔焊 接实际情况的。为此，s t e e n 13 1 、a k h t e r 【1 4 1 、刘建华【1 5 1 等人都建立了点线组合移动热源 模型，把等离子体对工件的加热看作一个点热源，而把激光束看作一个线热源来处理。 这样通过改变点热源的强度和位置，就计算得到了不同焊接条件下的焊缝截面形状。 不过，点一线组合热源模型和激光实际的空间能量分布和& t l 的实际形状有较大的 差异。于是，n o l l e r l l 6 j 在假设4 , t l 形状为圆柱体，孑l 壁温度为材料汽化温度的前提下， 建立了一个移动的圆柱体热源模型。在同样假设小孔为圆柱体行的情况下，s i m o n 【 】又 假设孔壁各处热流密度相同，建立了自己的移动圆柱体热源模型，并和n o l l e r 的模型做 比较。随后，x i a o h uy e 1 8 j 也在假设小孔模型为圆柱体形的基础上，模拟计算了熔池的 形态和流体速度分布。 此外，d o w d e n 0 9 1 还建立了激光深熔焊接模式下的圆锥形小孔模型。在考虑气液界 面能量平衡的条件下，w e i 2 0 j 等人建立了具有动态特性的小孔形状和高斯分布模型，发 现d , t l 的形状类似于高斯分布形状。此模型成为以后高斯圆柱热源模型的基础。s o l a r i a l 2 1 】 等人在自由边界条件下建立了一个轴对称的数值模型，研究了多次反射对小孔形状的影 响。 以上模型都是研究者在研究过程中假设的小孔模型，与实际的模型还相差甚远。随 着现代科学技术的发展，人们利用高科技手段逐步对& t l 的真实形状进行探索。早在2 0 世纪7 0 年代，a r a t a l 2 2 - 2 3 等人对比了多种焊接材料而最终选择玻璃作为焊接试件，通过 高速摄像机直接观测了焊接过程中的小孔形状。后来，在1 9 8 5 年心a t a 2 4 】等人又利用x 射线的穿透特性，采用穿透摄影的方法观测激光焊接金属材料时的d , t l 形貌。接着， a r a t a 2 5 1 等人又用相同的办法在真空条件下观测了激光深熔焊接时的d , t l 和等离子体的 形成情况。他们发现：在真空条件下，等离子体几乎可以完全被抑制，而此时小孔的形 状和尺寸随气压变化不大。2 0 0 1 年，j o u v a r d 【2 6 】等人利用x 光照相技术得到了每个激光 脉冲后的小孔形貌。2 0 0 2 年，金湘中【2 7 】利用高速摄像机直接拍摄激光深熔焊接g g l 7 玻璃过程中小孔的形貌，获得了d , t l 的二维模型。2 0 0 5 年，张屹1 2 8 1 利用“三明治”方 法，利用高速摄像机拍摄了焊接铝膜过程中小孔的侧面的实际形状。2 0 0 6 年。j i n 2 绷等 人在假设d , t l 横截面为圆形的条件下，构建了激光焊接g g l 7 玻璃时的3 dd , t l 。2 0 11 年，曾利成【3 u j 在“三明治”方法的基础上，通过改进焊接试件，获得了激光焊接铝合金 4 硕士学位论文 的d q l 模型，同样在假设小孔横截面是圆形的情况下，模拟了三维小孔。这种方法直接 被本文采用。 1 3 2 多次反射和菲涅尔吸收的研究现状 菲涅尔吸收作为小孔效应的一个主要方面。科学家们对其已经做了大量的研究工 作。文献 3 1 - 3 4 】在考虑菲涅尔吸收时，将d , t l 看作绝对黑体，即认为进入到小孔内的激光 能量将1 0 0 的被工件材料吸收。而文献防3 8 1 在计算的过程中只考虑了一次反射吸收过 程。b e c k 3 9 1 在低焊接速度下假设小孔为轴对称的情况下，建立了d , 孑l t l 壁菲涅尔吸收的 数学模型。而只有k a p l a n 1 2 】详细地分析了激光在小孔孔壁上的多次反射吸收过程，并通 过计算绘制出了平均反射次数和小孔孔壁平均夹角之间的关系。其结果表明：孔壁平均 夹角越大，激光在孔壁上的反射次数越少，而且菲涅尔吸收的系数越小。 另外，k e m l 4 0 】和m u e l l e r 4 1 】分别在各自设定的三维小孔模型中计算了多次反射和菲 涅尔吸收。1 9 9 7 年，s o l a n a 2 1 】等人在假设小孔的边界为自由条件g h d ? l 为轴对称的前提 下，通过分析多次反射过程，建立了激光焊接过程中的一个数值模型，并研究了多次反 射对小孔形貌的影响。模型通过计算分析高斯光束和平顶帽形匀强光对小孔形状的影 响，发现：在相同的激光功率和焦斑尺寸的情况下，高斯光束产生的小孔深而窄。因此 可以断定，激光能量分布对小孔的形貌有很大的影响。2 0 0 2 年，j i n 4 2 1 等人利用高速相 机拍摄了小孔二维模型，通过追踪光束的轨迹，系统计算了多次反射和菲涅尔吸收，并 比较了小孔前后沿的激光能量分布，同时讨论了小孔孔壁上能量平衡的机理。2 0 0 6 年， j i n 2 9 】等人在假设小孔横截面为圆形的前提下，模拟出了激光深熔焊接g g l 7 玻璃时形成 的3 d 小孔，并系统分析了菲涅尔吸收在整个d , t l t l 壁上的分布情况。研究结果表明： 由于玻璃对激光的吸收率很高，所以第一次入射的激光对于d , q l 上的激光能量分布起着 决定性的作用；另外，小孔上能量分布十分不均匀，d q l 吸收的能量主要集中在接近前 沿的半个孔壁。这种研究方法，成为本实验计算菲涅尔吸收部分的基础。2 0 0 8 年，j i n l 4 副 改变实验装置，从两个方向同时拍摄激光焊接玻璃时小孔的形貌，并在假设小孔的横截 面为椭圆形的情况下，重构了3 d 小孔。随后系统计算了孑l 壁的多次反射和菲涅尔吸收。 研究结果表明：孔壁的多次反射和菲涅尔吸收主要集中在进阶前沿的一小部分范围内； 同时，证明了反冲压力的存在对于小孔的形成禾h d , - t l 开口方面起着决定性的意义。 1 3 3 反韧致辐射吸收的研究现状 在激光深熔焊接过程中，特别是焊接金属材料过程中，会产生大量的等离子体。根 据光致等离子体所在的位置不同可分为孔外等离子体( 即等离子体云，p l a s m ap l u m e ) 和孔内等离子体( k e y h o l ep l a s m a ) 。对于等离子体的研究一直是一个热点问题。特别是 作为小孔效应主要方面之一的反韧致辐射吸收，得到了广泛的重视和研究。 1 9 8 9 年，d o w d e n 4 4 】等人研究了激光焊接过程中等离子体与激光之间的能量耦合机 理。研究结果表明：等离子体的存在对激光束具有散焦作用，而且等离子体的吸收作用 激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究 在激光和焊接材料之间的能量耦合方面起着非常重要的作用。1 9 9 0 年，f i n k e t 4 5 】等人对 等离子体的反韧致辐射吸收做了理论计算分析，指出在他们的实验条件下，在能量传递 机理方面，电子离子对的动力学重组能的释放比等离子体的热传导作用发挥着更大的作 用。1 9 9 5 年，b e c k l 4 6 等人研究了c 0 2 激光深熔焊接条件下等离子体云对激光的吸收和 散焦作用。研究结果表明：激光能量密度在焦点处减弱主要取决于等离予体云的散焦作 用，而不是等离子体云的吸收作用。1 9 9 9 年，s a n k a r a n a r a y a n a n 4 7 】等人根据能量平衡和 质量平衡建立了一个一维的激光加工模型，并研究了激光功率和扫描速度等加工参数对 等离子体温度、反韧致辐射吸收系数等的影响。其结果表明：只有当等离子体的温度大 于4 5 0 0 k 时，等离子体的反韧致辐射吸收系数才会迅速增大。2 0 0 8 年，r o z m a n 4 8 】等人 综合考虑三种不同的机制反韧致辐射吸收、光致电离和集群的吸收，其计算结果表 明：在这三种机制下，等离子体的特性和其他文章作者的结论一致。 此外，文献 3 5 - 3 7 , 4 9 - 5 1 对等离子体的反韧致辐射吸收做了理论分析和试验研究。但由 于所研究问题的复杂性和特殊性，给系统研究带来了一定困难。特别是对孔内等离子体 的反韧致辐射吸收的处理上还存在较大的困难。一是因为孔内等离子体的观测不便，这 也是以前等离子体的研究大多是研究等离子体云的原因；二是因为小孔结构比较复杂， 孔内等离子体不稳定且不均匀；三是对于反韧致辐射吸收的定量计算还存在一定得困 难，前面文章基本上对反韧致辐射吸收做了一个粗略的分析或者定性的分析。对等离子 体的定量分析，将成为本文的一个重点和亮点。 i 4 本文研究内容及其意义 本论文的研究得到了国家自然科学基金项目“基于铝合金激光深熔焊接小孔内等离 子体直接光谱观测的小孑l 效应研究”( 项目资助号：5 0 8 7 5 0 7 9 ) 和湖南省自然科学基金 重点项目“激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体光谱的直接观测与研究 ( 项目资助号： 0 9 j j 3 0 8 8 ) 的资助。 节能降耗和减轻环境污染是世界各国交通运输行业面临的紧迫问题。为解决这一问 题，各种轻质合金( 如铝、镁合金) 越来越多地应用于交通运输工具上。其中铝合金因 其具有十分优良的物理、机械力学性能和相对成熟的制造工艺，在交通运输行业中得到 了广泛应用。激光加工因其在材料加工方面的优越性，其在材料加工中有着越来越广泛 的应用。研究激光加工机理对于改善加工工艺、提高加工质量具有重要的现实意义。在 激光加工过程中，尤其在激光切割焊接过程中，小孔效应对于激光光束和工件之间的能 量耦合与传输起着关键性的作用。激光深熔焊接小孔的形成是一个非常复杂的过程，影 响因素非常多，小孔稳定以后的孔内等离子体的振荡情况给小孔机理研究造成了很大的 困难，许多文献中忽略了等离子体这个因素进行建模，与实际情况不符，因为等离子体 对于激光能量与工件耦合起着重要的作用，从而影响到小孔的机理。 6 硕士学位论文 近年来，人们对激光焊接等离子体的行为特性进行了广泛的研究，但是主要集中在 对等离子体温度、密度的研究，尤其是对孔外等离子体的研究较多，因为孔外等离子体 易于观察。随着“三明治”等观测方法的改进，孔内等离子体的特性也得到了很好的研 究，而孔内等离子体和小孔之间的能量交换研究甚少。因此进一步研究激光深熔焊接铝 合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收具有重要的理论意义和实用价值。 本文研究的主要内容有： a ) 拍摄激光深熔焊接铝合金6 0 1 6 时小孔的形貌，利用m a t l a b 软件重构小孔的二 维模型。在假设小孔的横截面为圆形的情况下，构建了3 d 小孔。 b ) 采集激光深熔焊接铝合金时孑l 内等离子体的辐射光谱。 c ) 基于实测孔内等离子体的辐射光谱，计算实际焊接过程中三维小孔孔内等离子 体的密度和温度分布，包括径向和孔深方向的分布。 d ) 利用m a t a l b 进行编程，计算小孔孔壁的多次反射和菲涅尔吸收以及等离子体的 反韧致辐射吸收，并对结果进行分析和讨论，进而考察小孔效应对+ - t l - t l 壁上能 量分布的影响。 7 激光深熔焊接铝合金孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究 2 1 实验方案 第2 章小孑l 形状的直接观测 为清晰地观测小孔的形状，在实验过程中对已有的“三明治”方法进行了改进。实 验装置如图2 1 所示。由于试验中用的6 0 1 6 铝合金的厚度只有0 8 m m ，如果直接焊接 的话很容易出现塌陷。为增强焊接过程中工件的稳定性，防止熔池塌陷，用两块g g l 7 玻璃夹着6 0 1 6 铝片进行激光深熔焊接，改进后的“三明治”示意图如图2 2 所示。焊接 时，激光的焦点正好冲击在工件的上表面。焊接后的实际焊接工件装置图如图2 3 所示。 在实验过程中，在垂直于焊接方向的位置放置了高速摄像机。通过高速摄像，实时观测 动态d , ；f l 。为了避免焊接过程中因为光强过强，导致摄像机曝光而看不清小孔形貌的现 象，在摄像机和焊件之问放置了平板滤光玻璃。平板玻璃的放置并不改变光线的传播方 向，只是减弱光强而已，这样观察到的小孔形貌更清晰。实验过程中，夹具被固定在 c n c 控制工作平台上，而摄像机放置在工作台的外边。这样在焊接的过程中，摄像机 与激光焊接头保持相对静止，那么形成的小孔相对于摄像机也是相对静态的。摄像机能 时刻记录小孔的形状。将获得的小孔照片和同一位置拍摄的直尺尺寸进行对比就可以确 定小孔的实际尺寸。然后，用p h o t o s h o p 采集小孔的像素点位置，并换算成实际的d , ；f l 各点之间的相对位置，再利用m a t l a b 软件进行数学建模，就可以建立基于实际小孔的 数学模型。 速 图2 。1 观测实际小孔的实验装置图 硕士学位论文 g g l 激光 6 0 1 6 铝含金 图2 2 改进后的试件示意图 2 2 实验设备 图2 3 焊接后工件装置图 2 2 1 数控三维c 0 2 激光焊接系统 实验采用的焊接工具为数控三维c 0 2 激光切割系统。该激光切割系统由一台c 0 2 激光器、一台数控三维机床、一台水冷机、一台