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CO_2激光+脉冲GMAW复合焊接等离子体行为及熔滴过渡控制研究

张旺  
【摘要】:激光+脉冲GMAW复合焊(HLAW-P)可以获得比激光焊更大的熔宽和比脉冲GMAW焊(GMAW-P)更大的熔深。但激光+脉冲GMAW复合焊在应用中存在两个重要问题,即如何解决高速焊接过程中等离子体耦合的稳定性和熔滴过渡形式的一致性。在CO2激光+脉冲GMAW复合焊接过程中,激光等离子体会改变焊丝的熔化特性及熔滴的受力,影响熔滴过渡模式及过程稳定性。为此解析该焊接过程熔滴的受热及受力,优化控制熔滴过渡模式,为设计复合焊接过程专用焊机或离线参数数据库确立理论基础,建立CO2激光+脉冲GMAW复合焊“一脉一滴”的熔滴过渡控制模型是亟需解决的问题。此外,GMAW-P的电流输出不断地在峰值阶段、过渡阶段及基值阶段周期性切换,在各种不同状态交替变化中,等离子体的物理特征也随之发生了变化,所以了解不同状态下电弧等离子体与激光等离子体的耦合机理,解析复合以后的传质与传热过程,实现能量传输效率的提高也是CO2激光+脉冲GMAW复合焊研究的重要任务之一。本文搭建了同步LabVIEW电信号分析系统、高速摄影图像采集分析系统、光谱分析系统,通过将大功率CO2激光与脉冲GMAW电弧进行复合,研究了CO2激光+脉冲GMAW复合焊等离子体的动态行为,熔滴过渡模式,电信号特征,等离子体空间温度和电子密度变化规律。对CO2激光热源与GMAW-P热源在不同状态、不同工艺条件下的耦合机理进行了深入研究,主要研究成果如下:1)基于傅里叶变换算法提取了CO2激光+脉冲GMAW复合焊峰值时刻等离子体特征谱线的Stark展宽,基于Stark展宽理论计算了峰值时刻的电子密度,依据“LTE临界电子密度判据”分析了CO2激光+脉冲GMAW复合焊峰值时刻等离子体的热力学状态,结果显示,由于受焊丝端部金属蒸汽和匙孔喷射金属蒸汽的影响,CO2激光+脉冲GMAW复合焊接等离子体的临界电子密度值降低,等离子体满足局部热力学平衡(LTE)条件。在满足局部热力学平衡的条件下,基于Boltzmann作图法计算了CO2激光+脉冲GMAW复合焊接等离子体的空间温度分布。2)研究了激光等离子体与脉冲GMAW等离子体的耦合机理。采用高速摄影系统观察了co2激光+脉冲gmaw复合焊接不同阶段等离子体形态变化规律,从等离子体内粒子数密度变化和粒子所受运动驱动力两个方面分析了co2激光+脉冲gmaw复合焊等离子形态的动态变化行为。结果显示,在脉冲gmaw电流从基值向峰值转变阶段,由于焊丝端部熔化金属扩散产生大量的金属蒸汽,导致等离子体内粒子数密度急剧增大,此时电弧提供的电磁力和电场力较小,对粒子运动驱动力较弱,所以激光等离子体的高度在整个脉冲周期内最大;在峰值时刻,大电流产生很大的电磁力、电场力及电弧等离子流力,在电场力和电磁力作用下,电离的粒子会被推离匙孔,激光等离子体的高度在整个脉冲周期内最低;在过渡时刻及基值时刻,激光等离子体高度处于两个状态之间。在峰值时刻,等离子流效应(plasmajeteffect)决定了电弧等离子体的运动轨迹,电弧从焊丝端部指向工件;在过渡时刻及基值时刻,由于激光等离子体提供了大量自由电子,电荷流效应(electronnaturepatheffect)决定了电弧等离子体的运动轨迹,电弧等离子体会偏向激光等离子体。3)采用光谱分析系统对峰值时刻不同空间位置特征谱线强度分布进行了比较,研究结果显示,电弧中心的fe和ar的特征谱线都要强于激光中心,两区域fe谱线的强度差要大于ar谱线的强度差。4)基于stark展宽法计算了空间电子密度分布,基于boltzmann作图法计算了空间温度分布。基于beer-lambert吸收定律计算了激光能量的传输效率,结果发现,co2激光+脉冲gmaw复合焊接过程中的电子数密度是纯激光的3倍左右,等离子体内电子密度和粒子数密度的增加,使得激光的传输效率从纯激光焊的94.16%降低到了co2激光+脉冲gmaw复合焊的85.84%。5)建立了co2激光+脉冲gmaw复合焊熔滴受力模型,分析了作用于熔滴上不同力对熔滴过渡的影响。在co2激光+脉冲gmaw复合焊接过程中由于受匙孔喷射激光等离子体的影响,熔滴过渡会受到金属蒸汽反作用力的阻碍。同时,激光等离子体会改变电弧等离子体的形态,使得电磁力的方向发生变化,产生阻碍熔滴过渡的分量。论文结合电弧等离子形态分析给出了一种co2激光+脉冲gmaw复合焊接过程中重新实现“一脉一滴”熔滴过渡的控制方法:为了在co2激光+脉冲gmaw复合焊接过程中获取“一脉一滴”(odpp)的熔滴过渡模式,需要降低电压以减小弧长,让电弧形态在峰值时刻更加发散,增加电磁力沿焊丝轴向的分量,同时,需要增加峰值时间促进熔滴过渡。6)研究了不同热源引导模式下的等离子体动态行为、熔滴过渡模式、熔池流动、空间温度及电子密度分布形式的变化规律。研究结果发现,在电弧引导(Arc-leading)模式下电弧等离子体偏向激光匙孔的现象更加明显,空间电子密度及温度呈―双峰‖分布,熔池形态呈―双椭圆连接‖状;在激光引导(Laser-leading)模式下电弧等离子体更加发散,在电弧中心区域的温度和电子密度要略高于Arc-leading模式,且―双峰‖分布趋势不明显,熔池形态呈整体―子弹头‖状。此外,Laser-leading模式较Arc-leading模式弧长更短,更容易实现熔滴过渡。对于在Arc-leading模式下为“一脉一滴”的脉冲参数,在Laser-leading模式下会出现“一脉多滴”的过渡现象。7)研究了不同气体成分配比下的等离子体行为及熔滴过渡模式。研究结果发现,在CO2激光+脉冲GMAW复合焊中,随着保护气体中He含量的增加电弧弧长会变短,峰值时刻的电弧电压会下降而基值时刻的电弧电压会增高;同时,He含量的增加会增加熔滴的形成时间,熔滴尺寸会变大,熔滴质心会出现滴偏离轴线的现象,熔滴容易飞离熔池,导致焊接过程中飞溅量增加。8)在CO2激光+脉冲GMAW复合焊中,热源间距、激光功率和焊接速度会影响等离子体动态行为及熔滴过渡模式。高功率激光和小热源间距会导致脉冲GMAW基值时刻电弧电压降低,峰值时刻电弧电压上升;激光等离子体会随着激光功率和热源间距变化直接影响电弧的导电通道和熔滴受力,热源间距的减小和激光功率的增加会导致金属蒸汽作用力增大,使得熔滴过渡时间延长,熔滴尺寸变大。


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