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《湖南大学》 2009年
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基于光谱分析的激光深熔焊接孔内等离子体特性研究

赵智  
【摘要】: 小孔效应是激光深熔焊接的本质特征,对于小孔机理的研究是激光焊接领域的研究热点和难点。由于小孔内、外密布着光致等离子体,对于光致等离子体的光谱诊断有助于小孔机理的进一步研究,为激光焊接应用提供理论依据。温度和电子密度是等离子体最重要的参数,其它物性参数如吸收系数都可以写为等离子体温度和电子密度的函数。本文设计了多通道光谱测量系统,通过测量小孔内等离子体温度分布以及电子密度及吸收系数研究光致等离子体的特性,为建立更完善的激光焊接过程模型提供必要的参数。 专门设计了以光纤组件和面阵CCD组成的多通道光谱测量系统,通过该探测系统测量等离子体光强的线积分曲线,利用Abel逆变换计算得到孔内等离子体温度的二维分布。专用的光学探头夹具和光阑,有效排除孔外等离子体云对孔内等离子体光谱信号的干扰。采用均匀试验设计方法安排试验,研究不同的激光焊接工艺参数对孔内等离子体温度的影响规律。测量出了孔内等离子体的电子密度和吸收系数,定量研究了孔内等离子体的吸收机制。 试验结果表明:孔内等离子体温度在15000K以上,温度分布呈近似的圆柱对称,小孔中心温度高于四周,最高点的温度在15000~20000K之间。激光焊接时激光功率、焊接速度、离焦量、保护气体流量以及孔外等离子体云的密度对温度分布趋势的影响不大,对于最高点的温度值有一定影响。不同的激光焊接工艺参数对于孔内等离子体温度有着不同程度的影响。其中激光功率和保护气体流量对孔内等离子体温度的影响最大,焊接速度对孔内等离子体温度的影响最小。小孔孔内等离子体微观参量和孔外等离子体云存在较大差异。在本文的试验条件下,测量得出的孔内等离子体电子密度大约为1.0×1018cm-3,电子温度为15000K时,孔内等离子体的吸收系数大约为1.2cm-1。这个结果表明,在激光深熔焊接中,孔内等离子体的逆韧致辐射吸收机制在激光和材料的能量耦合中起着至关重要的作用。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG456.7

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