外加电场下低功率YAG激光焊接机制分析

第一章绪论

1.1激光+电弧复合热源悍接技术
1.1.1激光+电弧复合热源埠接技术的提出
1801年迪威发现了电弧放电现象，这是近代俾接技术的起点。1920年英国全焯接船已经下水使用。电弧悍接是利用高温电弧将被'焊金属熔化并熔合为垾接接头的焯接方法，其本质是气体放电。这种具有较低能量密度的弧焊技术已经被发展成为一项成熟的金属连接技术，并被广泛应用于工业生产中[1]。时至今日，电弧焊接技术仍活跃在工业生产舞台上，因其具备以下优点：生产成本低（能量利用率可达到输入功率的60%以上），工装要求低，桥接能力强（对悍接工件的平整度和间隙要求不严格），焯件厚度大。但是，随着现代工业的发展，电弧捍诸如焊接速度慢、熔深浅、深宽比小、热影响区大等缺点制约了其在工业生产中更为广泛的应用。激光，这一具有高能量密度的高能束，自从进入工业生产领域，便在打标、打孔、雕刻、微处理、材料切割、焊接等得到了广泛的关注。Theodore Maiman于1960年发明了第一台激光器[2]，而激光与材料之间的相互作用的研究以及激光在材料加工领域的应用研究则是从1963年开始的。激光焊接，即用激光束照射材料，使其表面在高温下熔化为液态，然后冷却凝固的一种烊接方式14]。激光作为一种高能束，具有焯缝深宽比大，焊接接头残余应力低，焯接速度快等优点，经过几十年的发展，已成为二十一世纪先进的焯接技术；然而激光焊接技术因'焊接成本高，光束能量利用率低，不适宣捍接较厚板材等缺点，极大地限制了该技术的广泛应用。
针对弧悍接和激光垾接中存在的优缺点，一种新的复合焊接技术应运而生，激光+电弧复合热源-接技术。激光+电弧复合热源垾接技术的发展经历了三个阶段。第一阶段为激光+电弧复合热源'焊接技术的发明阶段，由英国学者SteenW.M于二十世纪七十年代末提出，Steen W.M研究了激光与电弧相互作用的基本特性。激光+电弧复合热源技术第二阶段开始于二十世纪八十年代中期，期观察到激光会影响弧柱行为，改善弧焯功效，从而使这一技术得到推广。激光+电弧复合热源技术第三阶段始于1990年，这一阶段，连续的C02激光悍接已经很好的应用于工业中，激光作为主要热源，电弧作为次要热源的方式已经成熟。该技术即结合了两种悍接技术的优势，又使两种悍接技术相互补充，从而形成一种优于以往所知的，全新高效早接技术。激光弧复合热源悍接技术的机制是两种能量传输机制、物理性质截然不同的:接热源，作用于工件同一位置，从而提高接质量。
1. 1.2激光+电弧复合热源焊接技术的分类
根激光与电弧的相对位置，复合热源捍接技术分为旁轴复合和同轴复合两种方式。随着电弧焯接的发展，根据电弧种类的不同，激光与电弧的复合方法主要有以下几种：激光+TIG、激光+MIG/MAG、激光+等离子弧、激光+双电弧复合、激光+埋弧复合等。根据激光器种类的不同，又分为C02激光+电弧复合热源焯接、YAG激光+电弧复合热源择接以及高功率光纤激光+电弧复合热源悍接。
(1)激光+TIG电弧复合焯接激光+电弧复合热源垾接最早是从C02激光与TIG电弧的旁轴复合开始研究的[4]，Steen, W. M于1979年提出该技术。激光+TIGfi合热源悍接过程中，激光功率、TIG电流大小、钨极高度、激光与TIG电弧之间夹角、光丝间距（Dla)、激光离焦量、保护气体流量、悍接速度等焊接参数是激光+T1G电弧复合焯接效果的重要影响因素。由于激光与TIG电弧相互作用，实现了 1+1>2的捍接效果，使得激光+TIG复合热源焯接有着独特的优势。研究结果表明，复合接熔化效率增量可高达83.6%，接熔深可达TIG焯接熔深的3倍以上、激光悍接的10倍以上复合接速度可达TIG的4倍，激光焯的2倍。激光+TIG复合焯接中，由于激光对TIG电弧的吸引、缩以及稳定作用使得其在高速焊接时，仍然能够实现良好焊接，得到的；缝形貌美观，气孔、咬边等早接缺陷大大降低。另外，与TIG捍接接头相比，复合热源显著地提高了接接头的力学性能，使其与母材相当。激光+TIG电弧旁轴复合悍接是热源非对称的复合'接，激光先穿过屯弧，然寸作用于母材，因此，电弧会对激光产生屏蔽作用；与此同时，体积较大的TIG炬与激光实现复合时，对极髙度等实验参数精度要求很高。由于钨极是非熔化极，所以采用激光+TIG 弧问轴复合接便能改善上述缺点。同轴复合由于无:接性，所以接过程比较稳)，《接速度也大大增加，且有利于气体的溢出减少捍缝中的气孔。
(2)激光+MIG/MAG电弧复合'焊接1985年，NagataS等人[27]率先展开了激光+MIG/MAG电弧旁轴复合热源'焊接技术的研究。这种复合捍接方法利用填丝焊的优点，增强了复合焊接的适应性。MIG/MAG；早丝的熔化，增加了'焊接熔池中馆融金属的量，在提高；二接熔深，改善焯接桥接性的时，还降低了对隙、错边、对中度等接工装精度的要求。激光+MIG/MAG电弧复合焊接技术还改善)缝冶金性能和微观组织，减少了焯缝咬边、凹陷等成型缺陷。与激光+TIG屯弧复合接相比，激光+MIG复合热源可捍接的板厚更大、焊接适应性更强。与单独激光相比，激光+MIG/MAG 弧复合接中电弧能的输以力-便地控制冷却状态，有利于熔池中气体的溢出，消除气孔、减少裂纹。与单独M1G/MAG屯弧相比，激光+MIG/MAG电弧复合悍接中激光能够增强屯弧的稳定性提高电弧的利川率，并且介适的参数下可以通过实现熔滴过渡方式的变化，使烊接过程更稳定，大量减少了单独MIG/MAG电弧时的飞溅。正是由于激光+MIG/MAG lU弧复合捍接特有的优点，该复合烀接技术已经成为目前最受关注的研究方向之一。

    1.2 电磁作用焊接技术 ...................18-21
    1.3 焊接过程中等离子体观察及采集 ...................21-23 
    1.4 本文主要研究内容 ...................23-25
第二章实验材料、设备及方法 ...................25-32
    2.1 实验材料 ...................25
    2.2 实验设备及方法 ...................25-31
    2.3 本章小结................... 31-32
第三章外加电场下低功率YAG激光+TIG复合热源焊接工艺研究 .........32-41
    3.1 外加电场对TIG电弧焊接的作用 ...................32-34
    3.2 外加电场对低功率YAG激光焊接的作用 ...................34-36
    3.3 外加电场对低功率YAG激光+TIG电弧复合热源焊接的作用 .........36-40
    3.4 本章小结 ...................40-41
第四章外加电场下低功率YAG激光+TIG复合热源焊接等离子体信息研究 ......41-61
    4.1 焊接等离子体形态采集 ...................41-50
    4.2 外加电场下复合热源焊接等离子体光谱采集 ...................50-52
    4.3 外加电场下复合焊接等离子体电子温度及电子密度 52-59
    4.4 本章小结 ...................59-61
第五章外加电场下低功率YAG激光+TIG复合热源焊接机制研究 .......61-67
    5.1 外加电场下TIG焊接机制分析 ...................61-62
    5.2 外加电场低功率YAG激光焊接机制分析 ...................62-64
    5.3 外加电场下低功率YAG激光+TIG复合热源焊接机制分析 ........64-66
    5.4 本章小结 ...................66-67

结 论

本文从焊缝表面形貌、熔深、焊接等离子体形态、等离子体光谱等度入手对比了有无外加电场下，TIG焊接、低功率YAG激光悍接及其复合焊接的变化，并在此基础上分析了外加电场对TIG焊接、低功率YAG激光悍接及其复合焊接的作用机制以及激光电弧复合焊接过程中电弧电场对在复合热源中的作用，得出以下结论：
1.外加电场对直流TIG焊接焊缝表面形貌、熔深、电弧等离子体都没有影响，即外加电场对直流TIG焊接无作用。
2.对于低功率YAG激光接，外加电场后焊接熔深增加且电场越大增加越显著；相同电场电压下激光功率越大，熔深增加越大。激光光致等离了-休在屯场加入后，亮度增加，体积增大，挺度增强'并且随着电场强度的增大这种变化趋势越明显。而低功率YAG激光焊接焊缝表面形貌在外加场下未变化。
3.对于低功率YAG激光+TIG复合热源焊接外加电场后，焊缝表而形貌无变化。焊接熔深只在迠当的实验参数下才会增加，并且与电场下低功率YAG激光以电场强度越人，熔深提高越显著。熔深增加的同时，焊接等离子体亮度加、挺度坨强。
4.外加屯场下低功率YAG激光+TIG复合热源焊接等离子体光谱采鬼结果光谱主要山谘线、谱线、线和线組成与謂氐郝Y AG激光+TIG复合热源焊接光谱谱线相比谱线饥成没变化。实验参数利于场下复合焊接熔深增加时，谱线强度在外加场作川下提。此时烨接等离丫体子温度降低，电子密度提高。

参考文献

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[3] T. H. Maiman: Optical and Microwave-Optical Experiments in Ruby, Phys. Rev. Lett.94, 564(1960)
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[5]陈彦宾.现代激光焊接技术[M].北京:科学出版社,2005.
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