激光-TIG電弧雙側(cè)作用下電弧行為研究.pdf

1、激光與電弧的相互作用機(jī)理是激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程控制的物理基礎(chǔ)。常規(guī)的激光-電弧同側(cè)復(fù)合焊條件下激光和光致金屬等離子體同時(shí)作用于電弧,難以澄清激光和光致金屬等離子體在電弧中各自起到的作用。為此,本文建立了激光-TIG電弧雙側(cè)焊條件,通過(guò)控制激光焊匙孔的穿透程度,系統(tǒng)地分析了電弧中光致金屬等離子體和激光從無(wú)到有、從少到多的變化過(guò)程對(duì)電弧形態(tài)、物理特征的影響規(guī)律。采用光譜診斷計(jì)算分析激光作用下電弧光譜特征和電子溫度、密度分布規(guī)律,進(jìn)而闡釋激

2、光對(duì)電弧作用的物理機(jī)制。
　　以4mm厚5A06鋁合金為試驗(yàn)材料,開(kāi)展CO2激光和TIG電弧雙側(cè)焊試驗(yàn),采集不同激光功率下典型的電弧形態(tài),分析不同電弧形態(tài)的光譜特征,并采用Saha-Boltzmann法計(jì)算電弧電子溫度,Stark展寬法計(jì)算電弧電子密度。發(fā)現(xiàn)激光-電弧雙側(cè)作用下,隨著激光功率的增大電弧呈現(xiàn)出弧柱整體收縮、電弧弧根壓縮、弧柱整體膨脹三種典型的電弧形態(tài),并對(duì)應(yīng)了典型的光譜特征;通過(guò)對(duì)不同電弧形態(tài)的光譜強(qiáng)度、電子溫度和電

3、子密度變化規(guī)律的分析,證明這三種典型的電弧形態(tài)分別對(duì)應(yīng)著電弧中無(wú)光致金屬等離子體、存在少量光致金屬等離子體以及出現(xiàn)大量光致金屬等離子體三種情況。
　　電弧中無(wú)光致金屬等離子體,即匙孔未穿透條件下,電弧弧柱出現(xiàn)收縮,但其光譜特征與單電弧相比無(wú)明顯的差異。采用紅外熱像儀、數(shù)值模擬方法對(duì)不同預(yù)熱條件下的工件溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算,證明利用激光的體熱源加熱特點(diǎn)預(yù)熱工件,可在工件上形成一個(gè)溫度梯度很大的熱斑點(diǎn),為電弧提供更穩(wěn)定的陽(yáng)極斑點(diǎn),有效

4、地提高了電弧的穩(wěn)定性;進(jìn)一步結(jié)合工藝試驗(yàn)計(jì)算了電弧弧柱收縮時(shí)的臨界溫度梯度值。
　　當(dāng)電弧中出現(xiàn)少量光致金屬等離子體時(shí),即匙孔剛剛穿透時(shí),電弧弧根明顯壓縮,此時(shí)與單電弧相比,Al、Mg譜線增強(qiáng),而Ar譜線則減弱。基于光譜測(cè)量結(jié)果,計(jì)算、對(duì)比了單電弧和弧根壓縮電弧中Al與Ar原子密度比以及Mg與Ar原子密度之比,發(fā)現(xiàn)光致金屬等離子體主要聚集在電弧弧根,導(dǎo)致此處的電子溫度下降,電子密度升高,并從光致金屬等離子體對(duì)電弧電導(dǎo)率和熱輻射系數(shù)

5、的影響,對(duì)弧根電子溫度下降這一現(xiàn)象給出了合理的解釋。研究表明,弧根處形成的光致金屬等離子體聚集區(qū)為電弧提供更加容易的導(dǎo)電通道是電弧弧根壓縮的本質(zhì)原因。這種電弧可大大提高電弧能量密度,提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性,是激光與電弧之間的理想能量作用機(jī)制。
　　當(dāng)大量光致金屬等離子體從匙孔進(jìn)入電弧時(shí),形成弧柱膨脹的電弧形態(tài),其金屬譜線和Ar譜線均達(dá)到最高。光譜測(cè)量結(jié)果表明光致金屬等離子體充滿(mǎn)整個(gè)弧柱,導(dǎo)致整個(gè)電弧的弧柱發(fā)生膨脹、電子密度降低。金屬等

6、離子體較高的電導(dǎo)率和熱輻射系數(shù)降低電子溫度和光致金屬等離子體自身的高溫特性,以及激光直接作用于電弧提高電子溫度三方面因素的綜合作用下,電弧電子溫度與單電弧相差不大。
　　為了研究激光本身對(duì)電弧的影響,基于電弧對(duì)激光逆軔致吸收理論的分析,設(shè)計(jì)了相關(guān)物理模擬實(shí)驗(yàn),計(jì)算驗(yàn)證激光穿過(guò)電弧之后,電子溫度、密度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)激光作用于電弧使得電弧電子溫度和密度均升高。
　　最后,對(duì)6mm厚5A06鋁合金激光-TIG電弧雙側(cè)焊特性進(jìn)行研