激光-电弧相互作用及激光-tig复合焊接新工艺的研究

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1、’、、．。√0‘·’独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：孑乏哆嘭坠L日期：关于论文使用授权的说明伽fo．∑、飞。本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以

2、公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：黑垒皇堕．导师签名：日期：～)，jebmP9miHerHe，以j，刀D玎e、刀pflu，!Iiu。，“jZA么胛BBuDQ，DEEu，ElIo，Il吗巧M电流密度波尔兹曼常数电子、离子质量激光临界密度电子、离子、中性原子的数密度局部热力学平衡临界电子数密度P能级的粒子数密度能级“和能级，上的粒子数密度电子、离子平均速度激光在等离子体中的传输距离流体截面面积高能级p到低能级g的自发发射跃迁几率磁场强度黑体辐射强度

3、激光作用电弧前后的电弧直径，光束直径光波电场强度能级“和能级，的能量激光作用电弧前后的激光中心功率密度、电弧电流能级p到低能级g的跃迁辐射的特征谱线强度聚焦特征参数马赫数I北京丁业大学_T学博土．学位论文P流体压力‰，P‰．RT疋，乃‰。UMVZ口，口m，口工Y艿占占0￡p‘l鬈A^D∥专mp盯U％‰D舶∞6)prc△激光穿过电弧前后的功率激光穿过电弧前后的光斑半径流体绝对温度等离子体电子、离子温度激光作用电弧前后，电弧电压电离能(f为1，2⋯⋯疗次电离)流体速度离子价数，配分函数逆韧致线形吸收系数绝热指数(对双原子

4、气体y=1．4)错边量等离子体介电常数真空介电常数高能级P到低能级q的跃迁的辐射系数热导率激光波长德拜长度折射率频率为∞的光谱强度流体密度等离子体电导率粒子速度、辐射频率电子、离子碰撞频率脉冲转化频率发射的光谱频率电磁波的圆频率、激光圆频率等离子体频率电子流装配间隙摘要激光一电弧复合焊接是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合于一体的先进焊接技术。激光电弧复合焊接能够弥补单纯激光焊接的不足，极大地增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量。近年来，该技术在发达国家受到了广泛关注并得到了积极的研究。激光与电弧的

5、复合不是两种热源的简单相加，深入研究激光．电弧的相互作用机理对深刻理解复合焊接过程，优化焊接工艺具有重要意义。复合焊接时，激光辐照母材的热效应及光致等离子体对激光．电弧相互作用产生重要影响；同时电弧吸收激光能量后，导致局部电子密度及电子密度梯度升高，引起吸收和折射效应的进一步增强。本文首先在不考虑这些因素的条件下，以激光在等离子体中的传播理论为基础，通过经典电子一离子碰撞理论，计算了电弧等离子体对入射激光的线性逆韧致吸收系数及折射率；在电子能量方程中引入逆韧致吸收项彳仞，根据最小电压原理修正了激光作用电弧后的电弧电子

6、能量方程。从理论上分析了激光作用电弧后，光束特性及电弧特性地变化趋势，揭示了激光．电弧相互作用时光束特性及电弧特性变化的物理机制及影响因素。随后，采用3500W扩散冷却C02激光器、4000WYb：YAG盘片激光器、FroniUSTS5000直流数字电源，借助高速摄像仪、瞬态光谱仪、光束光斑诊断仪、及功率计，试验研究了高功率聚焦激光束与TIG电弧相互作用时的光束特性和电弧特性的变化规律。试验中为了避免激光作用母材时的热效应，同时直接测量激光穿过电弧后的光束参量及电弧对激光能量的吸收率，采用聚焦光束垂直穿过直流TIG电

7、弧，焦点位于电弧轴线的布置方式；使用高速摄像仪拍摄了激光作用前后的电弧形态变化，瞬态光谱仪分别记录电弧不同部位的局部光谱，通过对电弧局部位置的光谱分析，采用波尔兹曼图法计算了电弧局部温度，并根据Saha方程计算了电弧等离子体局部电子浓度。着重分析了激光功率、电弧电流、激光作用位置对激光能量传输率、光斑直径、光束传输方向及电弧静特性、电弧形态、电弧功率、电弧轴线温度分布及电子数密度的影响规律；探讨了激光作用电弧后，光束特性及电弧特性发生变化的原因；研究了电弧气氛、激光波长对相互作用的影响规律及作用机制。最后在激光．电弧

8、相互作用研究的基础上，针对薄板搭接、对接、T型接头及厚壁对接开展了几种激光--TIG填丝复合焊接新工艺研究。为克服填丝复合焊接的飞溅和焊接烟尘对聚焦镜的污染，根据激光焊接时飞溅颗粒的运动状态和运动规律，基于气体动力学原理设计了超音速非对称拉伐尔腔体结构的横向气帘喷嘴：对比激光填丝焊接，研究了激光一TIG填丝复合焊接的工艺特性、焊缝成形、内部缺陷