论文部分内容阅读
激光焊接作为新型焊接技术，以其能量密度高、焊接速度快、焊缝成形好、热影响区小且易于自动化控制等优点日益受到重视。在激光焊接过程中，随着激光能量的增大，会产生光致等离子体。等离子体对激光束产生折射、吸收等作用，严重影响激光束与工件的能量耦合，导致熔深不足、焊缝形状不规则、焊接过程不稳定，甚至导致焊接匙孔崩溃和焊接过程终止。目前，主要采用侧吹辅助气体法降低等离子体对激光束的折射、吸收等作用和高功率激光器进行焊接提高熔深，但这都大大增加了生产成本。另外，侧吹气体的位置、角度、压力等条件要求严格，难以控制。 因此，为促进激光焊接技术的应用，充分利用电磁场具有非接触、无污染、易于自动化控制的优势，结合激光焊接的优点，将电磁场作用于激光焊接技术中。本文采用纵向磁场控制激光焊接等离子体的新方法，对纵向磁场作用激光焊接等离子体的应用基础理论和激光焊接设备关键器件的研制进行系统的研究。重点研究了磁场作用激光焊接等离子体行为特性及其作用机理、焊缝成形工艺及其成形机理，激光焊接设备关键器件的研制方面也取得了一定的研究进展。主要研究成果及结论如下: (1)采用一级谐振两级放大(MOPA)的系统结构，研制出1000W高功率Nd∶YAG脉冲激光器;以此为光源，设计出激光器双光路时分复用系统，在不降低输出功率的前提下，实现了激光的时分复用、双路输出;开发出满足实验需求的电磁场作用装置，主要包括脉冲直流电源、铁芯圆柱形螺旋线圈;并与光谱测量设备、高速数字摄像等设备进行系统集成，搭建了纵向磁场作用激光焊接实验与检测平台。 (2)基于基尔霍夫电压定律，推导并分析了RLC放电回路的电流特性。结果表明，线圈电流峰值与回路电阻的大小无关，主要取决于电容量、充电电压和回路电感;线圈电流的衰减系数与回路中的电阻和电感有关，随电阻的增大而增大，随电感的增大而减小。 (3)基于麦克斯韦方程组，利用有限元分析软件，采用磁矢势法建立了2D圆柱形螺旋线圈电磁场的有限元分析模型，模型中考虑了B-H磁化曲线的非线性、铁芯与线圈空气间隙的磁漏现象，揭示了圆柱形螺旋线圈的磁场分布规律及大小。结果表明，线圈中加入铁芯能有效的改善线圈的总磁流密度矢量分布，把线圈总磁流密度矢量集中起来;能显著提高总磁流密度矢量值，最大总磁流密度矢量值提高了7.5倍;能明显改善线圈的总磁流密度矢量轴向分布均匀性，但降低了其径向分布均匀性。 (4)运用图像处理技术，基于二值化图像分析了等离子体外部形态特征及变化规律，基于等灰度分布图像分析了等离子体内部形态特征及变化规律。采用像素点百分比法有效提取了等离子体的高度及面积特征参量，详细分析了高度及面积的变化规律。结果表明，纵向磁场对等离子体形态有一定影响，主要表现在等离子体消亡阶段。随着磁感应强度的增加，等离子体形态由“云团状”向“圆柱状”过度;等离子体由内到外分为三层，内层为中心区，呈柱状、温度最高，中层为扩散区，有明显的粒子扩散运动和热扩散迹象，温度较低，外层为耗散区，温度最低;磁场作用后等离子体高度及面积明显减小，但出现一定的波动性;基于图像的二值化处理及灰度处理方法，可有效提取等离子体形态特征、高度及面积特征参量。 (5)运用光谱诊断技术，采用波尔兹曼分布图法与谱线斯塔克展宽法分别计算了电子的温度及密度，重点研究了磁场作用激光焊接TC4钛合金等离子体发射光谱特性及变化规律，磁场作用下电子温度特性及变化规律，磁场作用下电子密度特性及变化规律。结果表明，线状谱主要由380-510nm波段的TiI谱线组成;磁场作用后，谱线强度发生明显变化，随着磁感应强度的增大，谱线强度逐渐减小;电子温度的范围为8120-13950K。磁场作用时的温度普遍低于无磁场作用时的温度，无磁场作用时，温度最高，为13950K。磁感应强度为0.20T时，温度最低，为8120K;电子密度的范围为7.74×1017-8.05×1017cm-3。磁场作用时的电子密度普遍大于无磁场作用时的电子密度;无磁场作用时，密度最低，为7.74×1017 cm-3。磁感应强度为0.05T时，密度最高，为8.05×1017 cm-3。 (6)系统研究了磁场作用激光焊接TC4钛合金薄板的焊缝成形特征、焊接过程稳定性及焊缝成形稳定性。结果表明，磁场对熔池熔合线及熔池轮廓有重要影响，随着磁感应强度的增大，熔深及焊缝成形系数出现不稳定现象;磁感应强度为0.05T时熔深及成形系数达到最大值，较无磁场作用时分别提高了16.7％，11％，磁感应强度为0.20T时达到最小值，较无磁场作用时分别降低了11.6％，12％;适当的磁场参数作用激光焊接有利于稳定焊接过程，不恰当的磁场参数不利于稳定焊接过程;若磁场参数与焊接参数能达到合理的匹配，则可以增加熔深、提高焊缝成形系数、稳定焊接过程、改善焊缝成形质量。 (7)基于电磁场理论和等离子体动力学原理，建立了激光焊接等离子体在磁场中的动力学模型，系统分析了磁场作用等离子体的动力学行为及其规律、扩散行为及其规律，深入探讨了作用机理及焊缝成形机理。结果表明，电子在磁场中的回旋半径小于离子的回旋半径，其回旋频率远大于离子的回旋频率;电子在短程范围内做圆周运动，离子在短程范围内近似直线运动;磁场对电子的约束程度较大，对离子可认为无约束作用;两者回旋半径、回旋频率及磁约束程度的巨大差异可能造成等离子体宏观运动不明显;受磁场径向磁梯度及纵向磁弯曲影响，带电粒子做回旋半径不断变大的螺旋漂移运动;磁场对等离子体轴向上的扩散速度无影响，径向上的扩散速度则会随着磁感应强度的增大面降低;磁场作用激光焊接等离子体的效果，与带电粒子的回旋半径及回旋频率有关，受保护气流影响。