【摘要】：復(fù)合等離子體作為焊接過程的能量來源之一,其動態(tài)行為和物理特性對焊接質(zhì)量具有重要影響。目前對復(fù)合等離子體的研究多集中在激光-電弧和電弧-磁場等復(fù)合等離子體方面,尚未見到針對激光-TIG-磁場復(fù)合焊接等離子體特性的系統(tǒng)研究�；诖�,本文自行搭建了激光-TIG-磁場復(fù)合焊接平臺,開展了316L不銹鋼激光-TIG-磁場復(fù)合焊接電弧等離子體特性的實驗研究,詳細分析了等離子體的動態(tài)行為、光譜特征譜線分布、溫度場分布和電子密度分布,在此基礎(chǔ)上研究了能場之間相互作用機理。單TIG焊接時,電弧等離子體波動很小,挺度較好,整體表現(xiàn)較平穩(wěn),具體表現(xiàn)為:(1)隨著電流增大,電弧等離子體的體積變大,水平拖拽長度L_(ab)變大,在200A時可以達到15.2mm;(2)隨著焊接速度提高,電弧等離子體的體積也隨之增大,水平拖拽長度L_(ab)增大,在2.0m/min時可以達到14.7mm。在激光的作用下,復(fù)合電弧等離子體發(fā)生了明顯的收縮和振蕩,主要表現(xiàn)為:(1)隨著激光功率的增大,光致等離子體對電弧的擾動越明顯,電弧振蕩越劇烈。在激光功率為2.0KW時水平拖拽長度L_(ab)最小只有7.3mm,激光對電弧的收縮作用最明顯;電弧振蕩幅度最均勻,電弧最穩(wěn)定;(2)光鎢間距D_(LW)越小,弧振蕩幅度越大,復(fù)合電弧的收縮和振蕩越劇烈,并且在D_(LW)=4mm時,電弧振蕩幅度最小只有1.3mm,電弧最穩(wěn)定。在磁場的作用下,原本沿鎢極延長線指向工件表面的電弧,將會發(fā)生收縮和偏轉(zhuǎn):(1)在較小磁感應(yīng)強度(10mT)時,電弧尾部有明顯的收縮,有向鎢極右后方偏轉(zhuǎn)的跡象;(2)在中等磁感應(yīng)強度(20mT)時,電弧尾部收縮和偏轉(zhuǎn)都很明顯,電弧尾部由向鎢極左側(cè)拖拽變?yōu)橄蜴u極右側(cè)拖拽;(3)在磁感應(yīng)強度B為40mT時,電弧沿鎢極尖端垂直向下,整體變?yōu)殓娬中?底部擴張鋪展較大。在激光和磁場共同作用下下,電弧一方面受光致等離子體的擾動,另一方面在磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn)。在兩者的綜合作用下,可提高電弧挺度,并減小光致等離子體對電弧的干擾。利用自主搭建的實驗研究平臺,采集了復(fù)合焊接等離子體的光譜信號,研究了不同能場焊接時等離子體的光譜譜線分布,并分別采用Boltzmann圖法和Stark展寬法計算了溫度場分布和電子密度分布。研究發(fā)現(xiàn):(1)隨著距工件表面距離的增大,等離子體溫度整體呈現(xiàn)不斷升高的趨勢,越靠近陰極尖端溫度越高,最高溫均在19000K左右;(2)光纖激光的加入,從激光小孔中噴出的溫度較低的光致等離子體,對激光作用區(qū)域LaserZ及其附近的溫度分布產(chǎn)生較大影響,有明顯降溫的作用;(3)磁場的加入,使得電弧底部擴展,增大了電弧的散熱面積,降低了電弧底部溫度(距工件表面2mm以下);(4)在光致等離子體的降溫作用和磁場的降溫作用共同作用下,激光-TIG-磁場復(fù)合電弧等離子體LaserZ區(qū)域和電弧底部(距工件表面2mm以下)整體降溫幅度較大,溫度較低,溫度最低位置位于LaserZ區(qū)域的點A,只有8360K。等離子體電子密度的分布和溫度的分布規(guī)律相反,隨著距離工件表面的距離增大,等離子體電子密度整體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢,越靠近陰極尖端電子密度越低,均在6.2×10~(23)m~(-3)左右。激光-TIG復(fù)合焊接的平均電子密度最低,只有7.02×10~(23)m~(-3),激光-TIG-磁場復(fù)合焊接的平均電子密度最高,有7.96×10~(23)m~(-3)。
【圖文】：

（小于 30mT），熔深增加但是熔寬卻有所減少；當磁場強度過大時（大于 50mT）反而會降低工件和激光光束的耦合效應(yīng)，，最終使熔深減小。圖1-1 在磁場作用下熔池液態(tài)金屬受力情況[8]Fig. 1-1 The force of liquid metal in molten pool under the action of magnetic field[8]Kern 等[8-9]認為，由于 CO2激光焊接時熔池內(nèi)各部分溫度分布不均勻，依據(jù) Seebeck效應(yīng)，熔池內(nèi)會產(chǎn)生一定大小的熱電流。Kern 通過研究發(fā)現(xiàn)該熱電流大小幅度有幾安培，從熔池前端流向熔池尾端，因此可以通過引入磁場來改變?nèi)鄢氐牧鲃訝顟B(tài)。另外根據(jù)磁流體動力學原理，如圖 1-1。在激光焊接時，熔融金屬和固態(tài)金屬均為導(dǎo)體，并且熔池中的熔融金屬在激光的作用下處于不斷的運動中，在存在外加磁場時，流動的熔融金屬將切割磁感線

電弧等離子體沿焊槍軸線呈對稱分布，并提出了恒定縱向弱磁場、小電流 TIG 直流焊接電弧熱流密度徑向 Gauss 正態(tài)分布模型及等離子流力 Gauss 雙峰分布數(shù)學物理模型。圖1-2 外加縱向磁場時電弧形態(tài)的變化[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]等通過研究發(fā)現(xiàn)存在外加磁場時電弧底部出現(xiàn)一個溫度較低的部位，并且該部位的上端會隨著磁感應(yīng)強度的增大而越來越靠近陰極。陳樹君等[21]發(fā)現(xiàn) TIG電弧等離子體會在縱向磁場的作用下發(fā)生上部收縮下部擴張的現(xiàn)象，他們認為該現(xiàn)象主要是由于電弧區(qū)域的磁場分布不均勻以及帶電粒子在磁場作用下發(fā)生螺旋形運動造成的。Chang 等[22]研究發(fā)現(xiàn)磁場也會使 CO2氣體保護焊接電弧等離子體呈現(xiàn)一種高速旋轉(zhuǎn)的鐘罩形態(tài)，他們認為勵磁電流 2A，頻率 60Hz 為最佳磁場參數(shù)。Hartz-Behrend
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG40

【參考文獻】

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本文編號：2632669