（材料加工工程专业论文）不锈钢tig焊活性剂的研制及其对co2激光焊接等离子体的影响.pdf

摘 要 摘要 高功率 col 激光焊接过程中， 位于工件上方的等离子体与入射激光束之间 存在非常复杂的相互作用:对激光束的反射、散射、吸收以及负透镜效应等， 严重影响焊接过程和焊接质量，因此对激光焊接等离子体的控制研究是十分必 要的。目前认为a - t i g 焊使熔深增加的机理是电弧收缩和表面张力共同作用的 结果。对于a - t i g 焊的电弧收缩现象，一般认为是电弧外部被蒸发的原子俘获 电子而使得电弧等离子体收缩。而降低电子密度也正是激光焊接中控制等离子 体的机理之一。 本论文针对不锈钢 ( o c r 1 8 n i 9 t i ) 研制a - t i g 焊活性剂， 选用s i o , , c r 2o . c a f , , t i 0 2 , b , o , 等常见的 氧化物和卤 化物作为基础活性剂， 利用配方均匀设计 方法进行了不锈钢a - t i g活性剂配方的研制，使得试验次数大大减少。所得到 的配方可使焊缝熔深达到传统t i g 焊的2 . 5 倍以上。 选用试验所得到的使熔深增加最大的活性剂进行激光焊接试验， 利用三维 同步高速摄影方法对两种不同焊接状态时 ( 试件表面涂活性剂和不涂活性剂) 的等离子体变化进行记录。在对焊道熔深，等离子体形状变化，等离子体面积 变化进行分析后，发现在试件表面涂活性剂后，焊缝熔深增加。并且该状态下 所记录的光致等离子体与不涂活性剂的等离子体相比，面积变小， 面积变化程 度变小，并且等离子体的变化也趋于平稳。这就说明，活性剂对激光焊接等离 子体有一定的抑制作用。 关键词: 激光焊接;光致等离子体: a - t i g ;活性剂; 均匀设计;三维同步高 速摄影 ab s t r a c t ab s t r a c t d u r i n g k e y h o l e h a s h i g h p o w e r c 0 2 l a s e r b e a m w e l d i n g , l a s e r - i n d u c e d p l a s m a o v e r t h e i m p o rt a n t i n fl u e n c e o n t h e t r a n s m i s s io n o f i n c i d e n t l a s e r . l a s e r - i n d u c e d p l a s m a w o u l d r e fl e c t , r e fr a c t , a b s o r b a n d s c a t t e r t h e i n c i d e n t l a s e r . t h e n e g a t i v e e f f e c ts s u c h a s s h a d o w e ff e c t , n e g a ti v e l e n s e f f e c t a r e d i s p l a y e d m a c ro s c o p ic a l l y . s o i t i s v e r y i m p o rt a n t t o b e d e p r e s s e d a s f a r a s p o s s ib l y . n o w i n a - t i g w e l d i n g , t h e c o e f f i c i e n t o f a r c s h r i n k i n g a n d t h e w e l d p o o l s u r f a c e t e n s i o n r e s u l t i n p e n e t r a t i o n i n c r e a s e d . f o r a r c s h r i n k i n g i n a - t i g w e l d i n g , i t i s t r a p e l e c t r o n s e x t e r n a l p l a s m a a n d f in a l ly ma k e t h o u g h t t h a t a t o m s e v a p o r a t e d a r e p l a s m a s h r a n k . wh e r e a s d e c r e a s in g e l e c t r o n d e n s i t y i s o n e o f c o n t r o l l i n g p l a s m a p r i n c i p l e s d u r i n g l a s e r b e a m w e l d i n g . i n t h i s p a p e r , f o r s t a i n l e s s s t e e l ( 0 c r 1 8 n o t i ) , s e v e r a l c o m m o n o x i d e s a n d h a l i d e s , n a m e l y s i o , , c r a, c a f z , i i 0 ; , b a, e t c , a r e t a k e n a s b a s i c a c t i v a t i n g fl u x . o n t h i s b a s i s , t h e c o m p o s i t i o n u n i f o r m d e s i g n m e t h o d i s e m p l o y e d t o d e v e lo p a - t i g a c t i v a t i n g fl u x . b y t h i s w a y , t h e e x p e r i m e n t s t im e s d e c r e a s e r e m a r k a b l y a n d t h e w e l d p e n e t r a t i o n i n c r e a s e m o r e t h a n 2 . 5 t i m e s c o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l t i g w e l d i n g . a n d t h e n t h e e f f e c t o f a c t i v a t i n g fl u x o n p l a s m a d u r in g l a s e r w e l d i n g i s s t u d i e d . t h e s t a i n l e s s s t e e l ( o c r 1 8 n i 9 t i ) i s r e s p e c t i v e l y w e l d e d b y u s i n g a c t i v a t i n g fl u x a n d b y n o t u s i n g a c t i v a t i n g fl u x . a n d t h e s h a p e v a r i a t i o n o f p l a s m a d u r i n g l a s e r w e ld i n g i s r e c o r d e d d i r e c t l y b y u s i n g t h r e e - d i m e n s i o n s y n c h r o n y h i g h - s p e e d p h o to g r a p h y s e p a r a t e l y . a f t e r a n a l y z i n g t h e w e l d p e n e t r a t i o n , p l a s m a s h a p e c h a n g e a n d p l a s m a a r e a c h a n g e c u r v e s , i t i s f o u n d t h a t t h e p e n e t r a t i o n i n c r e a s e s , p l a s m a a r e a b e c o m e s s m a l l e r a n d t h e a r e a c h a n g e r a n g e o f l a s e r - i n d u c e d p l a s m a i s a l s o s m a l l e r . 摘 要 k e y w o r d : l a s e r w e l d i n g ; la s e r - i n d u c e d p l a s m a ; a - t i g ; a c t i v a t i n g fl u x ; u n i f o r m d e s i g n m e t h o d ; t h r e e - d im e n s i o n s y n c h r o n y h i g h - s p e e d p h o t o g r a p h y 第 i 章文献综述 第1 章 文献综述 1 . 1激光的产生与激光加工 激光的问世被评为上个世纪人类十大科技进步之一， 专家们认为， 现在是 电子技术的全盛时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激 光。激光 ( l a s e r )是英文 “ l i g h t a m p l i f i c a t i o n b y s t i m u l a t e d e m i s s i o n o f r a d i a t i o n ”的缩写， 意为 “ 通过受激辐射实现光的放大” 。1 9 6 0 年7 月美国人 梅曼 ( t . h . m a i n m a n ) 在休斯研究所成功地研制出 世界上第一台红宝石激光器; 1 9 6 1 年德若凡发明第一台氦氖气体激光器;1 9 6 4 年帕特尔 ( c . p a t e l )发明了 第一台c 0 2 激光 器， 同 年贝 尔 实 验室的j . e . g e u s i c 发明 了 第一台n d : y a g 激 光器川 。 激光是一种崭新的光源，它除了与 其他光源一样是一种电磁波外， 还具有 其它光源所不具备的特性:高方向性、高亮度、高单色性和高相千性。正是因 为激光具有这些特点， 故用其作为加工热源是十分理想的。 激光的发散角很小， 接近平行光，而且单色性很好，频率单一，经过透镜聚焦后可形成很小的光斑 ( 0 . 2 -2 mm) ，再加上激光的高亮度，使聚焦后光斑上的功率密度达 1 0 0 - 1 0 s w / c 矛或更高， 材料在如此高功率密度光的照射下，会很快熔化、 汽化或爆 炸。因此激光用于焊接、切割和打孔，是一种很好的高功率能源。目 前己 经开 发出2 0 多 种 激光加 工 技术2 3 1 1 41 ， 较成 熟的 激 光 加工 技术 包括: 激光 快 速 成 形、激光焊接、激光打孔、激光切割、 激光打标、激光去重平衡、激光蚀刻、 激光微调、激光存储、激光划线、激光清洗、激光热处理和表面处理技术等。 当今世界各国，激光加工应用最多的是激光切割，约占市场容量的 6 0 % ，而增 长最快的是激光焊接，已 经占 有2 0 % 的市场份额5 1 w il l j 劣 头掌 工 学 硕 士 论 文 1 . 2激光焊的应用及其分类 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。 激光焊作为现代高科技的产物，同时又成为现代工业发展必不可少的手段。随 着航空航天、汽车、 微电 子、轻工业、医疗及核工业等的迅猛发展， 产品零件 结构形状越来越复杂，对材料性能要求也越来越高，对加工精度和表面完整性 的要求也越来越高， 人们对加工方法的生产效率、 工作环境的 要求也越来越高， 传统的焊接方法难以满足要求，以激光束为代表的高能束流焊接方法，日益得 到广泛的应用。 激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、 适应性强等优点而受到各发达国家的重视，并己 应用于航空航天、汽车制造、 电子轻工等领域。 按激光器输出能量方式的不同，激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊 ( 包括高频脉冲激光焊) ; 按激光聚焦后光斑上功率密度的不同， 激光焊可分为 传热焊和深熔焊。 ( 1 ) 传热焊 当激光功率密度小于l o s 1y / c m 时， 激光将金属表面加热到熔点和沸点 之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度 升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大， 凝固后形成焊点或焊缝， 其熔深轮廓近似为半球形。 这种焊接机理称为传热焊。 传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小， 很大一部分光被金属表面所 反射，光的吸收率较低， 焊接熔深浅， 焊接速度慢。主要用于薄、小零件的焊 接加工。 ( 2 ) 深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时 ( 孙1 0 fiw / c m z ) ， 金属在激光的照射下 被迅速加热，其表面温度在极短的时间内 ( 1 0 - r - 1 0 - 0 s )升高到沸点，使金属 熔化和汽化。当金属汽化时，所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属 第 1 章文献综述 蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使金属表面向下凹陷，在激 光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热汽化时，所产生的金属 蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深，另一方面，向 坑外飞出的 蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程连续进行下去，便在液态金属中形 成一个细长的空洞。当光束能量所产生的金属蒸气压力及反冲力与液态金属的 表面张力和重力平衡后，小孔不再加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接， 因此称之为激光深熔焊。 另外，激光还是一种理想的焊接能源，与真空电子束焊接相比，激光焊接 不受真空条件的限制，不需要进行x 射线的屏蔽，有些激光例如y a g 激光还可 以通过光纤传输到任何需要焊接的部位。与其他各类焊接方法相比， 激光焊接 明显具有许多优点 ( 见表1 - 1 ) e 表 1 - 1 激光焊接与其它焊接工艺方法的对比 t a b l e 1 - 1 c o m p a r i s o n o f l a s e r b e a m w e l d i n g t o o t h e r w e l d i n g t e c h n o l o g y 对 比 项 目激光焊接电子 束焊接熔化极气体保护 焊 电阻焊 成本 + 操 作 成 本 0 + 焊 接 效 率 + 0+ 大 深 宽 比 + 小热影响区 + + 0 高焊接速度 + + 焊缝断面形貌 + + 00 大气压下焊接 + + 高反射率材料 + + 使用填充材料 0 十 自 动 加 工 + 0十 注: 十表示此项性能优: 0表示不优不劣;一 表示性能劣。 万 p j 尹 诀掌 工 学 硕 士 论 文 此外，激光焊接还有一些突出的优点: 热影响区很窄，工件的变形量极小， 特别适合于精密焊接;适宜于难熔的、热敏感性强及热物理性能差异悬殊的材 料的焊接;激光焊接工艺参数规范，可调范围宽，适应性强:焊接自动化程度 较高，适合于大批量、流水线作业，效率很高。 1 . 3光致等离子体的产生及其研究现状 1 . 3 . 1 激光焊接等离子体的产生 等离子体的产生是物质原子或分子受能量激发电离的结果， 任何物质在接 受外界能量而温度升高时，原子或分子受能量 ( 光能、热能、电场能等)的激 发都会产生电离， 从而形成自由运动的电子、 带正电的离子和中性原子 ( 分子) 组成的等离子体。等离子体通常称为物质的第四态，在宏观上保持电中性状态 在高功率密 度 ( )1 0 6 w / c m z ) 的 激光焊接过程中， 金属 材料在其辐照 下不 仅产生熔化，而且产生强烈汽化而形成蒸汽，处于激光辐照区内金属蒸气中有 一定的起始自由电子， 通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的 能量来碰撞电离材料和周围 气体，电子密度从而雪崩式地增长， 形成等离子体 7 ) ， 如 图1 一 1 所 示 。 激光束 等离子体 工件 图1 - 1激光等离子体示意图 f i g . l 一l s c h e m a t i c d i a g r a m o f p l a s m a d u r i n g l a s e r b e a m w e ld i n g 激光焊接时产生的等离子体属于低温等离子体范围。 其电子与离子 ( 或粒 万 p j 尹 诀掌 工 学 硕 士 论 文 此外，激光焊接还有一些突出的优点: 热影响区很窄，工件的变形量极小， 特别适合于精密焊接;适宜于难熔的、热敏感性强及热物理性能差异悬殊的材 料的焊接;激光焊接工艺参数规范，可调范围宽，适应性强:焊接自动化程度 较高，适合于大批量、流水线作业，效率很高。 1 . 3光致等离子体的产生及其研究现状 1 . 3 . 1 激光焊接等离子体的产生 等离子体的产生是物质原子或分子受能量激发电离的结果， 任何物质在接 受外界能量而温度升高时，原子或分子受能量 ( 光能、热能、电场能等)的激 发都会产生电离， 从而形成自由运动的电子、 带正电的离子和中性原子 ( 分子) 组成的等离子体。等离子体通常称为物质的第四态，在宏观上保持电中性状态 在高功率密 度 ( )1 0 6 w / c m z ) 的 激光焊接过程中， 金属 材料在其辐照 下不 仅产生熔化，而且产生强烈汽化而形成蒸汽，处于激光辐照区内金属蒸气中有 一定的起始自由电子， 通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的 能量来碰撞电离材料和周围 气体，电子密度从而雪崩式地增长， 形成等离子体 7 ) ， 如 图1 一 1 所 示 。 激光束 等离子体 工件 图1 - 1激光等离子体示意图 f i g . l 一l s c h e m a t i c d i a g r a m o f p l a s m a d u r i n g l a s e r b e a m w e ld i n g 激光焊接时产生的等离子体属于低温等离子体范围。 其电子与离子 ( 或粒 万 p j 尹 诀掌 工 学 硕 士 论 文 此外，激光焊接还有一些突出的优点: 热影响区很窄，工件的变形量极小， 特别适合于精密焊接;适宜于难熔的、热敏感性强及热物理性能差异悬殊的材 料的焊接;激光焊接工艺参数规范，可调范围宽，适应性强:焊接自动化程度 较高，适合于大批量、流水线作业，效率很高。 1 . 3光致等离子体的产生及其研究现状 1 . 3 . 1 激光焊接等离子体的产生 等离子体的产生是物质原子或分子受能量激发电离的结果， 任何物质在接 受外界能量而温度升高时，原子或分子受能量 ( 光能、热能、电场能等)的激 发都会产生电离， 从而形成自由运动的电子、 带正电的离子和中性原子 ( 分子) 组成的等离子体。等离子体通常称为物质的第四态，在宏观上保持电中性状态 在高功率密 度 ( )1 0 6 w / c m z ) 的 激光焊接过程中， 金属 材料在其辐照 下不 仅产生熔化，而且产生强烈汽化而形成蒸汽，处于激光辐照区内金属蒸气中有 一定的起始自由电子， 通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的 能量来碰撞电离材料和周围 气体，电子密度从而雪崩式地增长， 形成等离子体 7 ) ， 如 图1 一 1 所 示 。 激光束 等离子体 工件 图1 - 1激光等离子体示意图 f i g . l 一l s c h e m a t i c d i a g r a m o f p l a s m a d u r i n g l a s e r b e a m w e ld i n g 激光焊接时产生的等离子体属于低温等离子体范围。 其电子与离子 ( 或粒 第 i 章文献综述 子 ) 的温度趋于平均， 整个等离子体处于局部热力学平 衡状态。 从空间位置和等 离子体的强弱来看，在不同的激光功率密度条件下，又可以 将激光等离子体分 为三类 : ( 1 ) 当 激光功率密度处于形成等离子体闭值附 近时， 较稀薄的等离子体云集 于工件表面，工件通过等离子体吸收能量。当材料气化和形成的等离子体云浓 度间形成稳定的平衡状态时，工件表面有一层较稳定的等离子体层。其存在有 助于加强工件对激光的吸收。 ( 2 ) 当 激光 束 功率 密 度 处于1 0 6 一1 0 7 w l c m 2 范 围时 ， 等离 子 体的 温 度高 ， 电子密度大， 对激光的吸收率大，并且高温等离子体迅速膨胀，逆着激光入射 方向传播，形成所谓的激光维持吸收波。在这种情形下，会出现等离子体的形 成和消失的周期性振荡。这种激光维持的吸收波容易在激光焊接时出 现，必须 加以抑制。 ( 3 ) 当 功 率密 度 进一 步 提 高 达 到1 0 7 w / c m l 以 上 时， 激 光 加 工 区 周 围 的 气 体 可能被击穿。 气体击穿所形成的等离子体，其温度、压力、传播速度和对激光 的吸收率都很大，形成所谓的激光维持爆发波，它完全、持续地阻断激光向 工 件的 传 播。 一 般 在 采 用 连 续c 0 2 激光 进行 加 工时， 其 功 率 密 度应 小于1 0 l w l c 衬。 1 . 3 . 2光致等离子体的行为 高功率激光深熔焊时， 位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射， 改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度，从而影响焊接过程。 激光焊 接等离子体与激光束之间的相互作用主要体现在热效应和光学效应两个方面。 ( 1 )热效应 激光等离子体对激光能量的吸收主要有逆韧致吸收s 7 、光电吸收和共振吸 收等三种。 逆韧致吸收:等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量， 逆韧致辐射是等离 子体吸收激光能量的重要机制，是山于电子和离子之间的碰撞所引起的。等离 子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比。 第 i 章文献综述 子 ) 的温度趋于平均， 整个等离子体处于局部热力学平 衡状态。 从空间位置和等 离子体的强弱来看，在不同的激光功率密度条件下，又可以 将激光等离子体分 为三类 : ( 1 ) 当 激光功率密度处于形成等离子体闭值附 近时， 较稀薄的等离子体云集 于工件表面，工件通过等离子体吸收能量。当材料气化和形成的等离子体云浓 度间形成稳定的平衡状态时，工件表面有一层较稳定的等离子体层。其存在有 助于加强工件对激光的吸收。 ( 2 ) 当 激光 束 功率 密 度 处于1 0 6 一1 0 7 w l c m 2 范 围时 ， 等离 子 体的 温 度高 ， 电子密度大， 对激光的吸收率大，并且高温等离子体迅速膨胀，逆着激光入射 方向传播，形成所谓的激光维持吸收波。在这种情形下，会出现等离子体的形 成和消失的周期性振荡。这种激光维持的吸收波容易在激光焊接时出 现，必须 加以抑制。 ( 3 ) 当 功 率密 度 进一 步 提 高 达 到1 0 7 w / c m l 以 上 时， 激 光 加 工 区 周 围 的 气 体 可能被击穿。 气体击穿所形成的等离子体，其温度、压力、传播速度和对激光 的吸收率都很大，形成所谓的激光维持爆发波，它完全、持续地阻断激光向 工 件的 传 播。 一 般 在 采 用 连 续c 0 2 激光 进行 加 工时， 其 功 率 密 度应 小于1 0 l w l c 衬。 1 . 3 . 2光致等离子体的行为 高功率激光深熔焊时， 位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射， 改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度，从而影响焊接过程。 激光焊 接等离子体与激光束之间的相互作用主要体现在热效应和光学效应两个方面。 ( 1 )热效应 激光等离子体对激光能量的吸收主要有逆韧致吸收s 7 、光电吸收和共振吸 收等三种。 逆韧致吸收:等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量， 逆韧致辐射是等离 子体吸收激光能量的重要机制，是山于电子和离子之间的碰撞所引起的。等离 子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比。 .f 少 j 黄 诀掌 工 学 硕 士 论 文 .叫旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦 光电吸收:当激光功率密度过大时。光子能量超过原子或离子中束缚电子 的电离能时， 发生光致电离，出现光电 吸收， 这种情况在激光焊接中出 现的可 能性很小。 共振吸收:又称为反常吸收， 它通过非碰撞机制将激光束能量传递给等离 子体。 ( 3 ) 光学效应 一般情况下，等离子体的频率计算公式如下: 。 _ _ _国 v m e s o ( 1 一 1 ) 式中。 。 是电子的密度，e 是电子所带的电荷数， 氏是电子的质量， 。 是介电常 数，。 。 。 是电子的振荡频率。离子的质量远大于电 子的质量，因 此离子的 频率 远低于电子的频率。当发生二次电离时，电子的数量大于离子的数量，所以 认 为等离子体的频率就是指等离子体内电子的振荡频率。等离子体的折射率n : ( 1 一2 ) 嵘一心 式中 。 。 是 入 射 激 光的 频 率， w pe 是 等 离 子 体的 频 率 。 可 见 此时 等 离 子 体的 折 射 率小于 1 ，表现为比空气折射率还小。当激光从空气进入等离子体时，是从光 密介质进入光疏介质，会产生折射现象， 结果使光束的聚焦性能变差， 这就对 焊接质量产生了不良影响。 1 . 3 . 3激光焊接等离子体的控制方法及其研究现状 高功率 c 0 2 激光深熔焊过程中形成的光致等离子体会对激光产生吸收、折 射和散射等，从而降低焊接过程效率，其影响程度与等离子体形态有关。 等离 子体形态又直接与焊接参数特别是激光功率密度、焊接速度和环境气体有关。 功率密度越大，焊接速度越低，金属蒸气和电子密度越大，等离子体越稠密， 对焊接过程的影响也就越大。e . v . l o c k e和c . m . b a n a s最早报道了控制等离子 .f 少 j 黄 诀掌 工 学 硕 士 论 文 .叫旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦 光电吸收:当激光功率密度过大时。光子能量超过原子或离子中束缚电子 的电离能时， 发生光致电离，出现光电 吸收， 这种情况在激光焊接中出 现的可 能性很小。 共振吸收:又称为反常吸收， 它通过非碰撞机制将激光束能量传递给等离 子体。 ( 3 ) 光学效应 一般情况下，等离子体的频率计算公式如下: 。 _ _ _国 v m e s o ( 1 一 1 ) 式中。 。 是电子的密度，e 是电子所带的电荷数， 氏是电子的质量， 。 是介电常 数，。 。 。 是电子的振荡频率。离子的质量远大于电 子的质量，因 此离子的 频率 远低于电子的频率。当发生二次电离时，电子的数量大于离子的数量，所以 认 为等离子体的频率就是指等离子体内电子的振荡频率。等离子体的折射率n : ( 1 一2 ) 嵘一心 式中 。 。 是 入 射 激 光的 频 率， w pe 是 等 离 子 体的 频 率 。 可 见 此时 等 离 子 体的 折 射 率小于 1 ，表现为比空气折射率还小。当激光从空气进入等离子体时，是从光 密介质进入光疏介质，会产生折射现象， 结果使光束的聚焦性能变差， 这就对 焊接质量产生了不良影响。 1 . 3 . 3激光焊接等离子体的控制方法及其研究现状 高功率 c 0 2 激光深熔焊过程中形成的光致等离子体会对激光产生吸收、折 射和散射等，从而降低焊接过程效率，其影响程度与等离子体形态有关。 等离 子体形态又直接与焊接参数特别是激光功率密度、焊接速度和环境气体有关。 功率密度越大，焊接速度越低，金属蒸气和电子密度越大，等离子体越稠密， 对焊接过程的影响也就越大。e . v . l o c k e和c . m . b a n a s最早报道了控制等离子 第1 章文献综述 体能使熔深增加【9 。文献指出 通过调整喷嘴位置、角度、 流量，能使不锈钢的 熔深增加约 于熔池上方 3 0 % 。文献 117) 指出: 激光焊接等离子体主要作为一个扰动介质存在 等离子体会对激光束产生散射效应， 当等离子体脱离焊缝表面时， 散射效应尤其严重;等离子体的高度是激光焊接过程中的一个重要参数，可以 采用侧向下吹气法来降低等离子体的高度:降低环境压力可以降低等离子体的 电子密度，从而增加熔深。 光致等离子体对激光的屏蔽与等离子体的形态有关， 环境气体对光致等离 子体的形态有很大影响，等离子体屏蔽的临界功率密度主要取决于保护气体的 导热性和 解离能。i s h i d e 等 11 采 用2 0 k w c 0 2 激 光焊接不 锈钢， 在5 - 1 3 k w 功 率范围内，当环境气氛为氢气时，形成的等离子体飘浮在工件上方;当气体为 氦气时，等离子体稳定存在于工件表面。当采用 n z 时， 功率为 5 k w时等离子体 稳定在工件表面，而功率为7 -1 3 k w时，等离子体的产生和消失出现周期性振 荡， 周 期为3 - 4 m s o a r a t a 等12 采 用1 5 k w c o ? 激 光 器在 空 气中 焊 接低 碳 钢， 使用 功率为7 . 5 k w 和9 k w ， 与工 s h i d e 等人在n z 气氛下观察到的 现象一样， 等离子体 的产生和消失出 现周期性现象，这或许是由于空气的主要成份为 n : 之故。 o n o 等u :u 采用5 k w c 0 2 激光焊接不锈钢， 激光功率为4 k w ， 气氛为氨气时，等离子体 是周期性产生的，当气氛为 h e和 n z 时，形成的等离子体处在工件表面。一般 认为气体对等离子体形态的影响取决于气体的电离能和导热性， h e 具有较好的 抑制等离子体的作用是由于其高的电离能和良 好的导热性，等离子体不易形成 和过 热u . 1f ， 但是， b e y e r 等14 采 用l o k w c o , 激光 焊 接3 0 4 不 锈 钢时， 在h e 中 加入 1 0 % 的h 2 后， 焊接深度较纯h e 时增大， 原因认为是加入h z 后对等离子体的 抑制作用增强之故，而h : 的电 离能比h e 的电 离能低得多。 研究结果表明， 辅 助气体不同时等离子体屏蔽临界功率密度由小到大的排列顺序是: a r - - n , - - c o , - - h e . a r作辅助气体时，等离子体屏蔽的临界功率密度可以低至 1 . 8 5 x 1 0 w / c 矿。 文献u ; ，报道了 用辅助气体吹散等离子体的研究结果， 结果表明: 气流太大 9 ) e j 素 头掌 工 学 硕 士 论 文 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 里 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 巴 和太小都不利于焊接等离子体有效进行。 气体流量太小时，等离子体不能被有 效地吹掉; 气流量过分大时， 使熔池扩大和熔化金属溅射，导致焊缝形貌发生 畸变。为了避免这种大的气体流量对焊缝造成的破坏，肖 荣诗等人采用双层喷 嘴，外层喷嘴通以h e 气，由于 h e 导热性好、电离能高，主要用于缩减熔池上 方的等离子体和保护焊接熔池;内层通以a r 气，利用a r 的大比重和大冲量将 等离子体压缩在小孔内。实践证明这是一种行之有效的方法。 目 前，对激光焊接等离子体的控制方法主要由以下几种: 1 , l s s w ( l a s e r s p i k e s e a m w e l d i n g ) 法:激光加工头沿焊接方向来回摆动使激 光束避开等离子体 2 , 脉冲激光焊接法: 调整激光的脉冲和频率， 使激光的发射和等离子体的消散 同步，从而减小等离子体的影响。 3 .真空焊接法或低气压焊接 4 、外加磁场法或电场法或电磁场法 5 , 钡 9 吹辅助气体法 而在众多的控制方法中，通过气流法控制等离子体相对灵活而简单。 激光 焊接过程中吹气抑制等离子体的作用机理是:其一，通过增加电子与离子、中 性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，降低等离子体中的电子密度。中性原 子越轻， 碰撞频率越高， 复合速率越高。 另外， 所吹气体本身的电离能要较高， 才不致因气体本身的电 离而增加电 子密度。 其二， 利用流动的 保护气体， 将金 属蒸气和等离子体从加热区吹除 ib 17 1 .4 a - t i g ( a c t iv a t i n g f l u x g t a ) 1 . 4 . 1 a - t i g 焊概述 t i c焊是高质焊接的代表，可获得高纯净度超低氢的优质焊缝，常用来焊 接有色金属、不锈钢、超高强度钢，特别是在进行单面焊双面成形的焊接时， 9 ) e j 素 头掌 工 学 硕 士 论 文 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 里 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 巴 和太小都不利于焊接等离子体有效进行。 气体流量太小时，等离子体不能被有 效地吹掉; 气流量过分大时， 使熔池扩大和熔化金属溅射，导致焊缝形貌发生 畸变。为了避免这种大的气体流量对焊缝造成的破坏，肖 荣诗等人采用双层喷 嘴，外层喷嘴通以h e 气，由于 h e 导热性好、电离能高，主要用于缩减熔池上 方的等离子体和保护焊接熔池;内层通以a r 气，利用a r 的大比重和大冲量将 等离子体压缩在小孔内。实践证明这是一种行之有效的方法。 目 前，对激光焊接等离子体的控制方法主要由以下几种: 1 , l s s w ( l a s e r s p i k e s e a m w e l d i n g ) 法:激光加工头沿焊接方向来回摆动使激 光束避开等离子体 2 , 脉冲激光焊接法: 调整激光的脉冲和频率， 使激光的发射和等离子体的消散 同步，从而减小等离子体的影响。 3 .真空焊接法或低气压焊接 4 、外加磁场法或电场法或电磁场法 5 , 钡 9 吹辅助气体法 而在众多的控制方法中，通过气流法控制等离子体相对灵活而简单。 激光 焊接过程中吹气抑制等离子体的作用机理是:其一，通过增加电子与离子、中 性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，降低等离子体中的电子密度。中性原 子越轻， 碰撞频率越高， 复合速率越高。 另外， 所吹气体本身的电离能要较高， 才不致因气体本身的电 离而增加电 子密度。 其二， 利用流动的 保护气体， 将金 属蒸气和等离子体从加热区吹除 ib 17 1 .4 a - t i g ( a c t iv a t i n g f l u x g t a ) 1 . 4 . 1 a - t i g 焊概述 t i c焊是高质焊接的代表，可获得高纯净度超低氢的优质焊缝，常用来焊 接有色金属、不锈钢、超高强度钢，特别是在进行单面焊双面成形的焊接时， 9 ) e j 素 头掌 工 学 硕 士 论 文 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 里 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 巴 和太小都不利于焊接等离子体有效进行。 气体流量太小时，等离子体不能被有 效地吹掉; 气流量过分大时， 使熔池扩大和熔化金属溅射，导致焊缝形貌发生 畸变。为了避免这种大的气体流量对焊缝造成的破坏，肖 荣诗等人采用双层喷 嘴，外层喷嘴通以h e 气，由于 h e 导热性好、电离能高，主要用于缩减熔池上 方的等离子体和保护焊接熔池;内层通以a r 气，利用a r 的大比重和大冲量将 等离子体压缩在小孔内。实践证明这是一种行之有效的方法。 目 前，对激光焊接等离子体的控制方法主要由以下几种: 1 , l s s w ( l a s e r s p i k e s e a m w e l d i n g ) 法:激光加工头沿焊接方向来回摆动使激 光束避开等离子体 2 , 脉冲激光焊接法: 调整激光的脉冲和频率， 使激光的发射和等离子体的消散 同步，从而减小等离子体的影响。 3 .真空焊接法或低气压焊接 4 、外加磁场法或电场法或电磁场法 5 , 钡 9 吹辅助气体法 而在众多的控制方法中，通过气流法控制等离子体相对灵活而简单。 激光 焊接过程中吹气抑制等离子体的作用机理是:其一，通过增加电子与离子、中 性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，降低等离子体中的电子密度。中性原 子越轻， 碰撞频率越高， 复合速率越高。 另外， 所吹气体本身的电离能要较高， 才不致因气体本身的电 离而增加电 子密度。 其二， 利用流动的 保护气体， 将金 属蒸气和等离子体从加热区吹除 ib 17 1 .4 a - t i g ( a c t iv a t i n g f l u x g t a ) 1 . 4 . 1 a - t i g 焊概述 t i c焊是高质焊接的代表，可获得高纯净度超低氢的优质焊缝，常用来焊 接有色金属、不锈钢、超高强度钢，特别是在进行单面焊双面成形的焊接时， 第 1 章文献综述 可形成高质量的具有良好反面成形的焊道，这是其它焊接方法所难以比 拟的。 但是常规的氢弧焊单道焊熔深有限 ( 约3 m m ) 。 如果企图通过增大焊接电流以获 得更深的焊缝， 则徒使焊缝宽度增加而深度几乎没有变化。 最近，出现了一种a - t i g 焊工艺。该方法最早是由乌克兰巴顿焊接研究所 p w i ) 在6 0 年 代研制 a 7 ， 但是 直到9 0 年 代末期欧美国 家的 研究 机构 ( 如爱 迪生焊接研究所和英国焊接研究所等) 才开展广泛的研究 ， ， 其中爱迪生焊接 研究所开发的焊剂已 经在海军造船业中使用 2 。 这种技术实际上是在待焊区域 表面涂上一层很薄的活性助焊剂 ( 如图 1 -2 ) ， 然后再施行t i g 焊。 在相同的 焊接规范下， 同常规的t i g 焊相比， 可以大幅度的提高熔深( 最大可达3 0 0 %) . 目 前， a - t i g焊可用于焊接不锈钢、碳钢、镍基合金和钦合金等材料。同传统 的t i g焊相比，a - t i g焊可以大大提高生产率，降低生产成本，同时还可以减 小焊接变形， 具有非常重要的应用前景:l la 助焊剂 焊缝 月件 涂焊 图 1 - 2 a - t i g 焊施焊特色示意图 f i g . l - 2 s c h e m a t i c d i a g r a m o f a - t i g w e l d i n g 1 . 4 . 2 a - t i g 焊熔深增加机理 对a 一t t g 焊熔深增加机理方面的 研究，多 年来人们逐步形成了电 弧收缩 和熔池表面张力流的观点 2 2 , 幻 。 ( 1 ) 电弧收缩 电弧收缩观点认为，在电弧中心区域，其温度远高于分子解离温度，保护 第l 苹文献综述 可形成高质量的具有良好反面成形的焊道，这是其它焊接方法所难以比拟的。 但是常规的氩弧焊单道焊熔深有陧( 约3 删) 。如果企图通过增大焊接屯流以获 得更深的焊缝，则徒使焊缝宽度增加而深度几乎没有变化。 最近，出现了一种a - t i g 焊工艺。该方法最早是由乌克兰巴顿焊接研究所 ( p w i ) 在6 0 年代研制( 1 8 1 , 但是直到9 0 年代末期欧美国家的研究机构( 如爱 迪生焊接研究所和英国焊接研究所等) 才开展广泛的研究 1 9 t 其中爱迪生焊接 研究所开发的焊剂已经在海军造船业中使用 z l j o 这种技术实际上是在待焊区域 表面涂上一层很薄的活性助焊剂( 如图1 2 ) ，然后再施行t i g 焊。在相同的 焊接规范下，同常规的t i g 焊相比，可以大幅度的提高熔深( 最大可达3 0 0 ) 。 目前，a - t i g 焊可用于焊接不锈钢、碳钢、镍基合金和钛合金等材料。同传统 的t i g 焊相比，a - t i g 焊可以大大提高生产率，降低生产成本，同时还可以减 小焊接交形，具有非常重要的应用前景 2 1 3 0 焊炬 熔池 焊缝 图i - - 2a - t i g 焊施焊特色示意图 f i g 1 - - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a t i gw e l d i n g 1 4 2a t i g 焊熔深增加机理 对a t t g 焊熔深增加机理方面的研究，多年来人们逐步形成了电弧收缩 和熔池表面张力流的观点2 列。 ( 1 ) 电弧收缩 电弧收缩观点认为，在电弧中心区域，其温度远高于分子解离温度，保护 黟班歹萋破掌 工学硕士论文 气体和活性剂成分原子发生电离产生电子和正离子。在相对温度较低的弧柱周 边区域活性剂蒸发原子捕捉该区域中的电子形成负电性粒子并散失到周围空 间，使电弧中的电子数呈现减少趋势，最终迫使电弧为达到新的平衡造成阳极 和等离予体区的电流密度增加。这种始于电孤周边区域的反应导致了等离子体 弧柱直径的缩小，同时引起阳极斑点的收缩( 如图1 3 ，l 一4 所示) ，从而使 热量集中、电弧力集中，焊接熔深增加“。 图l 一3a - t i g 焊等离子体收缩模型 f i g 1 - - 3p l a s m as h r i n k i n g m o d e ld u r i n g a t i g w e l d i n g 圉i 一4 活性元素存在时电弧阳极斑点区域收缩 f i g1 - - 4a r cc o n s t r i c t i n gi na n o d es p o tw h e na c t i v a t i n gf l u xe x i t s 这种收缩的程度取决于活性剂蒸气与电子结合的效率。而效率取决于两个 方面：一是蒸气粒子与电子的结合力；二是蒸气物质的解离温度a 与电子的亲 和力越强，解离温度越高，则对电弧及阳极斑点的收缩作用越强烈，卤化物正 一1 0 第l 章文献综述 是如此。此外，促使收缩的物质不仅仅局限于卤化物，只要易于蒸发并具有一 定电子亲和力的物质，如金属氧化物等，均可起到相同的作用。这是由于尽管 氧化物在电子亲和力方面比卤化物较小，但解离温度更高的缘故。这就为我们 在选择活性剂成分时提供了一定的依据。 ( 2 ) 表面张力变化影响机理 焊接工作者对熔池表面张力持续进行了广泛而深入的研究，在活性化焊