YAG激光+脉冲双电弧复合焊接等离子体物理特性研究

探究焊接热源等离子体物理特征有助于其工艺优化。在YAG激光+脉冲双GMAW复合焊接过程中,激光束与两个电弧共同作用于同一熔池中,3个热源之间的相互作用导致复合等离子体状态存在很大的随机性,难以精确测量复合后的等离子体的物理状态。基于光谱分析方法,结合高速摄像技术,对激光复合前后等离子体光谱辐射强度、电子温度、电子密度等物理特征进行研究。结果表明:与脉冲双GMAW焊接相比,YAG激光+脉冲双GMAW复合焊接的光谱辐射强度明显增强,但是没有新的谱线生成;两个电弧的弧根部位受激光的"吸引牵制"作用靠近激光作用点,金属粒子受到强烈的热作用而大量电离并聚集在工件表面和激光束附近,该局部区域的电子温度、电子密度升高,为电弧提供了一个额外的电离通道,电弧因此更为稳定。     

激光对TIG电弧温度分布影响的数值模拟

在激光-TIG复合焊接过程中,根据激光与电弧等离子体相互作用原理及控制方程,利用有限元数值模拟方法研究激光对TIG焊接电弧等离子体温度分布的影响.在电弧稳定状态下,分别计算了不同焊接电流和激光强度的电弧等离子体温度分布情况,并由此分析激光对电弧等离子体温度分布的影响.结果表明:随着焊接电流的下降,激光对电弧温度的影响作用越来越明显,并且激光光强越大,影响越明显;决定电弧温度分布的主要因素也由焊接电流转变为由激光光强和焊接电流共同作用.本研究为进一步研究焊接质量奠定理论基础.     

不同水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分及温度的影响分析

文中通过对水下焊接电弧光谱的采集和分析,研究了清水、硼酸溶液、LiOH溶液、硼酸+LiOH混合溶液等不同介质的水环境对水下焊接电弧等离子体成分以及温度的影响,并对陆上焊接和水下焊接的电弧等离子体成分和温度进行对比分析.结果表明;不同的水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分以及温度几乎无影响.但水下焊接与陆上焊接相比,其电弧等离子体成分比陆上焊接明显增加了H和O元素.此外水下焊接过程中,由于水环境的影响,使水下焊接电弧温度低于陆上焊接.     

输油管TIG焊接电弧温度的光谱诊断

测定电弧温度对于深入理解焊接电弧在不同环境下的物理特性,从而寻求改善焊接质量的新途径有重要意义.笔者介绍了电弧等离子体光谱理论及光谱诊断方法,对TIG焊电弧光谱进行了采样分析.通过对光谱数据的分析指出钨元素谱线具有较好的利用价值.利用等离子体光谱诊断法对不同电流和不同弧长的电弧光谱和电弧温度进行了对比分析,并时其变化规律做出了解释.本研究工作对于输油管TIG焊接电弧物理的研究具有参考价值.     

激光-电弧复合焊接过程中等离子体的耦合行为

激光-电弧复合热源可以形成3种焊缝横截面的形貌,根据焊接参数对焊缝横截面形貌的影响建立了激光和电弧等离子体相互作用的物理机制.通过考察复合焊接过程中电弧等离子体中原子分布状态、电弧辐射光谱信息以及激光"匙孔"的行为对机制进行了验证.结果表明,激光对电弧等离子体的作用是通过激光形成的"匙孔"及其内部等离子体实现的,在适当参数下,电弧等离子体弧柱会进入激光"匙孔"内部,并与"匙孔"等离子体发生耦合放电,最终形成复合等离子体.电弧等离子体和"匙孔"等离子体的耦合作用有利于提高热源的能量密度.     

激光诱导电弧耦合热源的构建及绿色焊接技术应用

通过对激光脉冲作用期间和之后的等离子体行为以及激光"匙孔"行为进行研究,提出了激光诱导电弧耦合热源的放电机制。结果表明,激光"匙孔"和"匙孔"等离子体的形成是实现激光诱导电弧的重要条件,激光"匙孔"和电弧等离子体在激光脉冲作用消失之后均经历了一段时间才逐渐恢复至激光作用之前的状态,二者的延迟恢复相互促进,共同提高了激光诱导电弧的作用效果。在理论分析的指导下实现了镁合金的激光诱导电弧耦合热源高速高效优质焊接。     

电弧电场强度对激光等离子体引燃TIG电弧性能的影响

以峰值时间为10 ms的CO2脉冲激光进行TIG电弧的引弧试验,并采用高速摄像观察了激光等离子体引燃TIG电弧过程中的等离子体形态.结果表明,成功引燃TIG电弧的必要条件之一是必须使激光等离子体在电场作用下向阴极（钨极）方向偏移,致使激光等离子体与阴极接触产生热电子发射和场致发射并形成自持放电.在此基础上,为了探索激光等离子体引燃TIG电弧过程中电弧电场强度的影响,通过改变TIG电弧钨极形状、高度、激光与钨极相对位置等物理试验的方法,进一步分析了不同电场强度对CO2激光等离子体引燃TIG电弧引弧特性的影响规律.     

一种新型堆焊热源——碳极氩气拘束电弧

从降低堆焊稀释率和硬质合金烧损率，提高堆焊熔敷率的角度出发，用电弧等离子体光谱多线诊断装置对碳极氩气拘束电弧物理特性进行了测试，将测得的谱线光强信号经光电倍增管作光电转换与放大，然后将转换后的电信号输入A/D装置，变成数字量后，输入微机处理，以获得温度，成分，压力及其分布，结果发现，碳极氩气拘束电弧温度比自由碳极电弧温度高，电弧气氛具有一定的还原性，电弧温度，压力分布均匀，上述特点有利于提高堆焊质量。     

MnCl2引入对粉末熔池耦合活性TIG焊交流电弧的影响

粉末熔池耦合活性TIG焊接法是一种新型高效焊接方法,通过选择对应的活性剂粉末,可实现几乎所有金属的焊接.针对采用MnCl2作为活性剂的交流粉末熔池耦合活性TIG焊电弧,采集等离子体光谱,利用Boltzmann作图法分析了电弧等离子体温度随时间的变化规律,并结合电弧电压变化规律,通过与传统交流TIG电弧对比研究MnCl2对交流电弧的影响.结果表明,对于交流TIG电弧,EN时段的电弧光谱强度高于EP时段,EN时段的电弧电压小于EP时段,EN时段的电弧温度低于EP时段.而由于活性剂MnCl2的引入,交流粉末熔池耦合活性TIG电弧的中心温度与EN时段和EP时段的电弧电压均高于传统交流TIG电弧,焊缝熔深较传统交流TIG焊显著增加.     

干式高压环境对TIG焊接电弧温度的影响

干式高压焊接时,环境压力对焊接电弧的影响不容忽视.电弧温度是焊接电弧物理特性的重要参数之一,测定高压环境下的电弧温度对于深入理解焊接电弧在高压环境下的物理特性,从而寻求改善水下干式高压焊接质量的新途径有重要意义.介绍了电弧等离子体光谱诊断方法,对高压环境下的TiG电弧光谱进行分析,建立了一套切实可行的高压环境电弧温度测量方法.对高压环境焊接电弧温度变化规律进行了分析,建立了环境压力与电弧温度的函数关系式,并对试验结果进行了讨论.研究结果对于高压环境焊接电弧物理特性的研究具有参考价值.     

TIG电弧对高功率CO2激光光束特性的影响

采用功率计、光束光斑质量诊断仪及高速摄像仪等先进手段,研究了直流TIG电弧对垂直作用的CO_2激光光束特性的影响.结果表明,电弧将吸收部分激光能量,吸收率随电弧电流及激光功率的增加而增加,且作用位置越靠近阳极吸收率越高.与此同时,电弧等离子体的折射效应使激光光束散焦、变形并向阴极方向偏转.入射的激光功率越高、电弧电流越大、激光作用位置越靠近阳极,光束散焦和变形越明显.电弧对激光的吸收和散焦的共同作用,使穿过电弧的激光功率密度显著降低.

Abstract：

By instruments such as the laser power meter, the beam diagnosis and the fast CCD camera, the effects of the DC TIG arc on the characteristics of a vertically incident CO_2 laser beam were investigated. The experimental results demonstrate that part of the laser beam energy is absorbed by the arc plasma. This absorption increases with the increase of the arc current and the incident laser power, and becomes more evident as the laser beam incident position is closer to the anode. Meanwhile, the laser beam will be defo-cused, deformed and deviated to the cathode due to the arc refraction. The beam defocusing, deformation and deviation become more obvious with increasing the arc current and the incident laser power, and impinging the laser beam closer to the anode. The combined effect of the absorption and defocusing causes the power density decreases sharply as the beam passes through the arc.     

CO2激光作用下直流TIG电弧特性分析

文中借助高速摄像和激光功率计等先进手段,研究了CO2激光与直流,TIG电弧垂直相互作用时激光对电弧特性的影响.激光功率越高,电弧静特性曲线下移幅度越大,电弧电功率越低,而电弧总功率越高.电弧电流越小、激光作用位置越靠近阴极,电弧电压下降幅度越大.激光作用引起电弧体积膨胀主要发生在激光作用位置到阳极之间的区域.结果表明,激光作用电弧后,电弧静特性曲线下移,体积膨胀,电弧电功率下降,而总功率增加.     

Hybrid laser-arc welding of advanced high-strength steel

This study investigated the synergetic effect between laser beam and electrical arc during hybrid welding by using a spectral diagnostic technique. The synergetic effect increased the energy density in the keyhole and deepened the weld penetration, resulting in a lower plasma electron temperature. The metal transfer mode was a globular one at a small offset distance while a spray mode was achieved with an increase in the offset distance. The decrease in the arc voltage and arc current due to the synergetic effect caused this transition from spray to globular modes. Globular transfer mode destabilized the molten pool and keyhole with the large droplet impingement, leading to the formation of porosity in the corresponding weld bead. The presence of porosity was on-line detected by identifying serious fluctuations in the Fe I electron temperature signals based on the fact that the instability of the molten pool and keyhole is strongly related to the signals coming from the plasma.     

等离子弧金属快速成型设备控制系统设计

等离子电弧的弧柱温度高于普通电弧焊的两倍,且电弧发散非常小,等离子弧焊接时热影响区非常小,所以利用其进行零件制造时的成型精度高于其他电弧快速成型方法,并且不存在激光、电子束设备造价和使用费用高的缺陷,因此利用等离子弧作为热源进行快速成型制造成为研究热点。根据金属快速成型的主要特点和工艺流程,设计了等离子弧金属快速成型设备控制系统,该控制系统的控制核心为CP1H-PLC,配备了MT8-070i H3触摸屏、OMRON MY2N-J中间继电器单元。采用该设备进行实验,在合适的工艺条件下,成型件达到设计要求,证明该控制系统工作可靠、性能稳定。分析试验结果,初步掌握等离子弧金属快速成型工艺参数。     

Hybrid welding with arc and laser beam

Abstract

This paper deals with a combination of two different welding processes, i.e. the synergic action of two different heat sources for fusion welding. The major part of the paper is focused on the combined action of a welding arc and a laser beam. The main advantage of the use of both heat sources is more efficient use of the energy supplied. With certain parameters, the quantity of molten material increases by 100% compared with the sum of the individual quantities of molten material in the individual processes. The paper further presents several practical applications of the combined welding process. Eventually, development of arc augmented laser welding may progress in two directions; the first being the synergic effect of a laser beam and plasma welding arc and the second the combination of tandem laser welding and consumable electrode welding. This paper presents two such cases schematically.     

铝合金高功率激光-MIG复合焊热源形态特征

为深入理解铝合金大功率激光-MIG复合焊热源空间分布特征,设计了以激光功率、电弧功率以及激光与电弧之间的距离为因素的全因子试验,采用高速摄影和图像处理技术得到等离子体的宽度和面积.结果表明,复合焊中热源功率存在一定的阈值,随着功率的增加低于这个数值等离子体尺寸减小而超过这个数值等离子体呈膨胀趋势,在高功率复合焊中等离子体宽度随光束功率的增加而增大.激光束与电弧之间的距离影响等离子体空间的几何分布,但是随着激光束与电弧之间距离的逐渐增加,复合焊焊接过程中的等离子体存在一个维持、膨胀和恢复的不断重复的周期过程.     

Novel hybrid method： pulse CO2 laser-TIG hybrid welding by coordinated control

0IntroductionRecently,laser-arc hybrid welding,as a rising spe-cial manufacture technology,has attracted more and moreinterest and attentions of some researchers and weldingcompanies.But,concerning laser-TIG hybrid welding,most of the research in this area mainly focused on contin-uous wave laser-TIG arc hybrid welding[1-3].In previousworks,because of the absorption and defocusing of laserenergy by hybrid arc plasma,the energy loss of laser wasvery serious when laser traversed arc in continu…     

侧吹气流方向对大功率CO2激光焊缝成形的影响

激光深熔焊过程中会在熔池上方产生等离子体云，若该等离子体云过密，将降低激光入射到工件表面能量密度。在工业应用中，常采用侧吹辅助气体来减弱等离子体云的影响。本文通过试验，研究了在不同气体流量下，侧吹气体方向不同对焊接过程稳定性和焊缝成形的影响。结果发现：使用大功率CO2激光焊接AH32时。侧吹气体方向对焊缝成形有着明显的影响。从熔池和等离子体两个方面，解释了侧吹气体方向的影响机制。