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理是激光-電弧復合焊接過程控制的物理基礎(chǔ)。常規(guī)的激光-電弧同側(cè)復合焊條件下激光和光致金屬等離子體同時作用于電弧,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到有、從少到多的變化過程對電弧形態(tài)、物理特征的影響規(guī)律。采用光譜診斷計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,進而闡釋激

2、光對電弧作用的物理機制。
　　以4mm厚5A06鋁合金為試驗材料,開展CO2激光和TIG電弧雙側(cè)焊試驗,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法計算電弧電子溫度,Stark展寬法計算電弧電子密度。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),并對應(yīng)了典型的光譜特征;通過對不同電弧形態(tài)的光譜強度、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)分別對應(yīng)著電弧中無光致金屬等離子體、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明顯的差異。采用紅外熱像儀、數(shù)值模擬方法對不同預熱條件下的工件溫度場進行測量、計算,證明利用激光的體熱源加熱特點預熱工件,可在工件上形成一個溫度梯度很大的熱斑點,為電弧提供更穩(wěn)定的陽極斑點,有效

4、地提高了電弧的穩(wěn)定性;進一步結(jié)合工藝試驗計算了電弧弧柱收縮時的臨界溫度梯度值。
　　當電弧中出現(xiàn)少量光致金屬等離子體時,即匙孔剛剛穿透時,電弧弧根明顯壓縮,此時與單電弧相比,Al、Mg譜線增強,而Ar譜線則減弱?；诠庾V測量結(jié)果,計算、對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電弧電導率和熱輻射系數(shù)

5、的影響,對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,提高焊接過程穩(wěn)定性,是激光與電弧之間的理想能量作用機制。
　　當大量光致金屬等離子體從匙孔進入電弧時,形成弧柱膨脹的電弧形態(tài),其金屬譜線和Ar譜線均達到最高。光譜測量結(jié)果表明光致金屬等離子體充滿整個弧柱,導致整個電弧的弧柱發(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電弧的影響,基于電弧對激光逆軔致吸收理論的分析,設(shè)計了相關(guān)物理模擬實驗,計算驗證激光穿過電弧之后,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6mm厚5A06鋁合金激光-TIG電弧雙側(cè)焊特性進行研