316L不锈钢光纤激光-TIG-磁场复合焊接等离子体特性的实验研究

发布时间：2020-04-18 23:37

【摘要】：复合等离子体作为焊接过程的能量来源之一,其动态行为和物理特性对焊接质量具有重要影响。目前对复合等离子体的研究多集中在激光-电弧和电弧-磁场等复合等离子体方面,尚未见到针对激光-TIG-磁场复合焊接等离子体特性的系统研究。基于此,本文自行搭建了激光-TIG-磁场复合焊接平台,开展了316L不锈钢激光-TIG-磁场复合焊接电弧等离子体特性的实验研究,详细分析了等离子体的动态行为、光谱特征谱线分布、温度场分布和电子密度分布,在此基础上研究了能场之间相互作用机理。单TIG焊接时,电弧等离子体波动很小,挺度较好,整体表现较平稳,具体表现为:(1)随着电流增大,电弧等离子体的体积变大,水平拖拽长度L_(ab)变大,在200A时可以达到15.2mm;(2)随着焊接速度提高,电弧等离子体的体积也随之增大,水平拖拽长度L_(ab)增大,在2.0m/min时可以达到14.7mm。在激光的作用下,复合电弧等离子体发生了明显的收缩和振荡,主要表现为:(1)随着激光功率的增大,光致等离子体对电弧的扰动越明显,电弧振荡越剧烈。在激光功率为2.0KW时水平拖拽长度L_(ab)最小只有7.3mm,激光对电弧的收缩作用最明显;电弧振荡幅度最均匀,电弧最稳定;(2)光钨间距D_(LW)越小,弧振荡幅度越大,复合电弧的收缩和振荡越剧烈,并且在D_(LW)=4mm时,电弧振荡幅度最小只有1.3mm,电弧最稳定。在磁场的作用下,原本沿钨极延长线指向工件表面的电弧,将会发生收缩和偏转:(1)在较小磁感应强度(10mT)时,电弧尾部有明显的收缩,有向钨极右后方偏转的迹象;(2)在中等磁感应强度(20mT)时,电弧尾部收缩和偏转都很明显,电弧尾部由向钨极左侧拖拽变为向钨极右侧拖拽;(3)在磁感应强度B为40mT时,电弧沿钨极尖端垂直向下,整体变为钟罩形,底部扩张铺展较大。在激光和磁场共同作用下下,电弧一方面受光致等离子体的扰动,另一方面在磁场的作用下高速旋转。在两者的综合作用下,可提高电弧挺度,并减小光致等离子体对电弧的干扰。利用自主搭建的实验研究平台,采集了复合焊接等离子体的光谱信号,研究了不同能场焊接时等离子体的光谱谱线分布,并分别采用Boltzmann图法和Stark展宽法计算了温度场分布和电子密度分布。研究发现:(1)随着距工件表面距离的增大,等离子体温度整体呈现不断升高的趋势,越靠近阴极尖端温度越高,最高温均在19000K左右;(2)光纤激光的加入,从激光小孔中喷出的温度较低的光致等离子体,对激光作用区域LaserZ及其附近的温度分布产生较大影响,有明显降温的作用;(3)磁场的加入,使得电弧底部扩展,增大了电弧的散热面积,降低了电弧底部温度(距工件表面2mm以下);(4)在光致等离子体的降温作用和磁场的降温作用共同作用下,激光-TIG-磁场复合电弧等离子体LaserZ区域和电弧底部(距工件表面2mm以下)整体降温幅度较大,温度较低,温度最低位置位于LaserZ区域的点A,只有8360K。等离子体电子密度的分布和温度的分布规律相反,随着距离工件表面的距离增大,等离子体电子密度整体呈现不断降低的趋势,越靠近阴极尖端电子密度越低,均在6.2×10~(23)m~(-3)左右。激光-TIG复合焊接的平均电子密度最低,只有7.02×10~(23)m~(-3),激光-TIG-磁场复合焊接的平均电子密度最高,有7.96×10~(23)m~(-3)。
【图文】：

温度分布,熔池,液态金属,磁场作用

（小于 30mT），熔深增加但是熔宽却有所减少；当磁场强度过大时（大于 50mT）反而会降低工件和激光光束的耦合效应，，最终使熔深减小。图1-1 在磁场作用下熔池液态金属受力情况[8]Fig. 1-1 The force of liquid metal in molten pool under the action of magnetic field[8]Kern 等[8-9]认为，由于 CO2激光焊接时熔池内各部分温度分布不均匀，依据 Seebeck效应，熔池内会产生一定大小的热电流。Kern 通过研究发现该热电流大小幅度有几安培，从熔池前端流向熔池尾端，因此可以通过引入磁场来改变熔池的流动状态。另外根据磁流体动力学原理，如图 1-1。在激光焊接时，熔融金属和固态金属均为导体，并且熔池中的熔融金属在激光的作用下处于不断的运动中，在存在外加磁场时，流动的熔融金属将切割磁感线

电弧形态,纵向磁场

电弧等离子体沿焊枪轴线呈对称分布，并提出了恒定纵向弱磁场、小电流 TIG 直流焊接电弧热流密度径向 Gauss 正态分布模型及等离子流力 Gauss 双峰分布数学物理模型。图1-2 外加纵向磁场时电弧形态的变化[17]Fig. 1-2 The effect of external longitudinal magnetic field on the arc shape[17]（a）0mT （b）10mT （c）50mT （d）100mT殷咸青等[20]等通过研究发现存在外加磁场时电弧底部出现一个温度较低的部位，并且该部位的上端会随着磁感应强度的增大而越来越靠近阴极。陈树君等[21]发现 TIG电弧等离子体会在纵向磁场的作用下发生上部收缩下部扩张的现象，他们认为该现象主要是由于电弧区域的磁场分布不均匀以及带电粒子在磁场作用下发生螺旋形运动造成的。Chang 等[22]研究发现磁场也会使 CO2气体保护焊接电弧等离子体呈现一种高速旋转的钟罩形态，他们认为励磁电流 2A，频率 60Hz 为最佳磁场参数。Hartz-Behrend
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG40

【参考文献】