CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接等離子體行為及熔滴過渡控制研究.pdf

1、激光+脈沖GMAW復(fù)合焊（HLAW-P）可以獲得比激光焊更大的熔寬和比脈沖GMAW焊（GMAW-P）更大的熔深。但激光+脈沖GMAW復(fù)合焊在應(yīng)用中存在兩個(gè)重要問題，即如何解決高速焊接過程中等離子體耦合的穩(wěn)定性和熔滴過渡形式的一致性。
　　在CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接過程中，激光等離子體會(huì)改變焊絲的熔化特性及熔滴的受力，影響熔滴過渡模式及過程穩(wěn)定性。為此解析該焊接過程熔滴的受熱及受力，優(yōu)化控制熔滴過渡模式，為設(shè)計(jì)復(fù)合焊接過程專

2、用焊機(jī)或離線參數(shù)數(shù)據(jù)庫確立理論基礎(chǔ)，建立CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊“一脈一滴”的熔滴過渡控制模型是亟需解決的問題。此外，GMAW-P的電流輸出不斷地在峰值階段、過渡階段及基值階段周期性切換，在各種不同狀態(tài)交替變化中，等離子體的物理特征也隨之發(fā)生了變化，所以了解不同狀態(tài)下電弧等離子體與激光等離子體的耦合機(jī)理，解析復(fù)合以后的傳質(zhì)與傳熱過程，實(shí)現(xiàn)能量傳輸效率的提高也是CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊研究的重要任務(wù)之一。
　　本文搭建了

3、同步LabVIEW電信號(hào)分析系統(tǒng)、高速攝影圖像采集分析系統(tǒng)、光譜分析系統(tǒng)，通過將大功率CO2激光與脈沖GMAW電弧進(jìn)行復(fù)合，研究了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊等離子體的動(dòng)態(tài)行為，熔滴過渡模式，電信號(hào)特征，等離子體空間溫度和電子密度變化規(guī)律。對(duì) CO2激光熱源與 GMAW-P熱源在不同狀態(tài)、不同工藝條件下的耦合機(jī)理進(jìn)行了深入研究，主要研究成果如下：
　　1）基于傅里葉變換算法提取了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊峰值時(shí)刻等離子體特征

4、譜線的Stark展寬，基于Stark展寬理論計(jì)算了峰值時(shí)刻的電子密度，依據(jù)“LTE臨界電子密度判據(jù)”分析了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊峰值時(shí)刻等離子體的熱力學(xué)狀態(tài)，結(jié)果顯示，由于受焊絲端部金屬蒸汽和匙孔噴射金屬蒸汽的影響，CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接等離子體的臨界電子密度值降低，等離子體滿足局部熱力學(xué)平衡（LTE）條件。在滿足局部熱力學(xué)平衡的條件下，基于Boltzmann作圖法計(jì)算了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接等離子體的空間溫

5、度分布。
　　2）研究了激光等離子體與脈沖GMAW等離子體的耦合機(jī)理。采用高速攝影系統(tǒng)觀察了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接不同階段等離子體形態(tài)變化規(guī)律，從等離子體內(nèi)粒子數(shù)密度變化和粒子所受運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力兩個(gè)方面分析了 CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊等離子形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化行為。結(jié)果顯示，在脈沖GMAW電流從基值向峰值轉(zhuǎn)變階段，由于焊絲端部熔化金屬擴(kuò)散產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，導(dǎo)致等離子體內(nèi)粒子數(shù)密度急劇增大，此時(shí)電弧提供的電磁力和電場(chǎng)力較小，

6、對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力較弱，所以激光等離子體的高度在整個(gè)脈沖周期內(nèi)最大；在峰值時(shí)刻，大電流產(chǎn)生很大的電磁力、電場(chǎng)力及電弧等離子流力，在電場(chǎng)力和電磁力作用下，電離的粒子會(huì)被推離匙孔，激光等離子體的高度在整個(gè)脈沖周期內(nèi)最低；在過渡時(shí)刻及基值時(shí)刻，激光等離子體高度處于兩個(gè)狀態(tài)之間。在峰值時(shí)刻，等離子流效應(yīng)（Plasma jet effect）決定了電弧等離子體的運(yùn)動(dòng)軌跡，電弧從焊絲端部指向工件；在過渡時(shí)刻及基值時(shí)刻，由于激光等離子體提供了大量自由電

7、子，電荷流效應(yīng)（Electron nature path effect）決定了電弧等離子體的運(yùn)動(dòng)軌跡，電弧等離子體會(huì)偏向激光等離子體。
　　3）采用光譜分析系統(tǒng)對(duì)峰值時(shí)刻不同空間位置特征譜線強(qiáng)度分布進(jìn)行了比較，研究結(jié)果顯示，電弧中心的Fe和Ar的特征譜線都要強(qiáng)于激光中心，兩區(qū)域Fe譜線的強(qiáng)度差要大于Ar譜線的強(qiáng)度差。
　　4）基于Stark展寬法計(jì)算了空間電子密度分布，基于Boltzmann作圖法計(jì)算了空間溫度分布?；贐e

8、er-Lambert吸收定律計(jì)算了激光能量的傳輸效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接過程中的電子數(shù)密度是純激光的3倍左右，等離子體內(nèi)電子密度和粒子數(shù)密度的增加，使得激光的傳輸效率從純激光焊的94.16％降低到了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊的85.84%。
　　5)建立了CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊熔滴受力模型，分析了作用于熔滴上不同力對(duì)熔滴過渡的影響。在CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接過程中由于受匙孔噴射激光等離子

9、體的影響，熔滴過渡會(huì)受到金屬蒸汽反作用力的阻礙。同時(shí)，激光等離子體會(huì)改變電弧等離子體的形態(tài)，使得電磁力的方向發(fā)生變化，產(chǎn)生阻礙熔滴過渡的分量。論文結(jié)合電弧等離子形態(tài)分析給出了一種 CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接過程中重新實(shí)現(xiàn)“一脈一滴”熔滴過渡的控制方法：為了在CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接過程中獲取“一脈一滴”(ODPP)的熔滴過渡模式，需要降低電壓以減小弧長，讓電弧形態(tài)在峰值時(shí)刻更加發(fā)散，增加電磁力沿焊絲軸向的分量，同時(shí)，需要增

10、加峰值時(shí)間促進(jìn)熔滴過渡。
　　6）研究了不同熱源引導(dǎo)模式下的等離子體動(dòng)態(tài)行為、熔滴過渡模式、熔池流動(dòng)、空間溫度及電子密度分布形式的變化規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在電弧引導(dǎo)（Arc-leading）模式下電弧等離子體偏向激光匙孔的現(xiàn)象更加明顯，空間電子密度及溫度呈―雙峰‖分布，熔池形態(tài)呈―雙橢圓連接‖狀；在激光引導(dǎo)（Laser-leading）模式下電弧等離子體更加發(fā)散，在電弧中心區(qū)域的溫度和電子密度要略高于Arc-leading模式，且

11、―雙峰‖分布趨勢(shì)不明顯，熔池形態(tài)呈整體―子彈頭‖狀。此外， Laser-leading模式較 Arc-leading模式弧長更短，更容易實(shí)現(xiàn)熔滴過渡。對(duì)于在Arc-leading模式下為“一脈一滴”的脈沖參數(shù)，在Laser-leading模式下會(huì)出現(xiàn)“一脈多滴”的過渡現(xiàn)象。
　　7)研究了不同氣體成分配比下的等離子體行為及熔滴過渡模式。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在 CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊中，隨著保護(hù)氣體中He含量的增加電弧弧長會(huì)變短，

12、峰值時(shí)刻的電弧電壓會(huì)下降而基值時(shí)刻的電弧電壓會(huì)增高；同時(shí)，He含量的增加會(huì)增加熔滴的形成時(shí)間，熔滴尺寸會(huì)變大，熔滴質(zhì)心會(huì)出現(xiàn)滴偏離軸線的現(xiàn)象，熔滴容易飛離熔池，導(dǎo)致焊接過程中飛濺量增加。
　　8）在 CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊中，熱源間距、激光功率和焊接速度會(huì)影響等離子體動(dòng)態(tài)行為及熔滴過渡模式。高功率激光和小熱源間距會(huì)導(dǎo)致脈沖GMAW基值時(shí)刻電弧電壓降低，峰值時(shí)刻電弧電壓上升;激光等離子體會(huì)隨著激光功率和熱源間距變化直接影響電