激光焊接时等离子体电流的产生及外加电磁场的作用

本文从等离子体吸收能量的理论入手，采用提升喷嘴的实验方法，系统研究了电磁场参数对等离子体控制的影响。研究结果表明，随磁场强度的加大，对等离子体的作用加强。而外加电压变化时，则存在一个最佳电压值，P＝1800W，V＝1m/min时，外加电压为25V时对等离子体作用最强。另外研究表明磁场正极性对等离子体有较明显的作用。     

激光焊接等离子体电流产生机理及电磁场对其作用研究

理论分析表明,深孔中的等离子体向外喷出时,电子和正离子具有不同的热运动速度,电子速度约为正离子速度的50倍,从而在激光喷嘴和工件间形成一电位差.将喷嘴和工件短路则可产生一等离子体电流,其大小约为10-1 mA量级.在该回路中串联一外加电源,等离子体电流随外加电源电压增大呈线性增大.加入一垂直于激光束方向的磁场,则带电粒子受一侧向电磁力作用而被加速运动离开激光束. 实验采用焊接过程中提升喷嘴的方法,加入辅助电磁场进行焊接可使深熔焊焊缝长度增加,表明驱除熔池上方等离子体后激光效率获得提高.随激磁电流(磁场强度)增大,深熔焊长度增大.随外加电压(电场强度)增大,深熔焊长度在25V外加电压时,达到最大值,过低和过高的外加电压都减小深熔焊长度的增加量.(OE10)     

YAG激光焊接等离子体电信号检测与焊接模式分析

激光等离子体中包含了反映激光焊接过程特征的信息。利用激光等离子体光电信号同步检测系统,检测激光等离子体的光电信号并进行光电信号的对比分析,阐明了电信号与等离子体温度之间的关系;对A304不锈钢、430不锈钢、碳钢Q235等材料的激光表面自熔焊接过程的等离子体电信号进行了实时检测及概率密度分布分析,对深熔焊特征最明显的A304不锈钢进行了电信号概率密度分布的标准差分析。研究结果表明:利用激光等离子体电信号能够实时反映激光焊接等离子体的温度变化的特点,可以根据激光等离子体电信号概率密度分布来分析激光焊接模式的特点,进一步的标准差分析法可以判断A304不锈钢激光焊接的模式。     

TC4钛合金激光焊接等离子体电信号熔透特征研究

利用等离子体光电信号同步采集系统,对钛合金激光焊接熔透焊缝与未熔透焊缝在等离子体特征振荡频率上的差异展开了对比研究。结果表明：对于熔透焊缝与未熔透焊缝,等离子体电信号的特征振荡频率存在明显差异。相比熔透焊缝,在焊接初始阶段,未熔透焊缝的等离子体电信号的特征振荡频率较高,并且特征振荡频率随热输入变化的速度也有明显差异。在相对稳定阶段,未熔透焊缝的等离子体电信号的特征振荡频率的波动范围较小,相对稳定,而此时熔透焊缝的等离子体电信号的特征振荡频率的波动范围较大,稳定性相对较差,特征振荡有明显的不确定性。     

激光焊接的等离子体负透镜效应

在对激光焊接等离子体特性分析的基础上，针对其内部电子密度分布的三种情况，通过计算机模拟了负透镜效应对激光传输的影响，指出了影响负透镜效应的一些因素。本研究对揭示激光焊接过程的物理本质具有重要意义。     

CO2激光焊接光致等离子体屏蔽机制的实验研究

采用20kW CO2激光器,设计了一组试验方法,研究光致等离子体对焊接深度和聚集光束的影响,探讨高功率CO2激光焊接时光致等离子体的屏蔽机制。研究表明,光致等离子体显著改变了聚集光束的形态,使其焦点下移、光斑扩大,等离子体的这种透镜效应随着等离子体的上升而增强。相对于等离子体吸收,等离子体的透镜效应是等离子体屏蔽的主要机制。     

激光焊接过程中电磁场控制等离子体的研究

高功率CO₂激光焊接过程中,小孔上方的等离子体会影响激光和工件之间的耦合效率。从分析外加电磁场对等离子体的作用出发,探讨了采用外加电磁场控制激光等离子体的可能性。实验结果表明,选择合适的外加电磁场参数,可以降低等离子体对激光的屏蔽效果,增大熔深。     

高功率激光焊接光致等离子体的检测

系统地归纳了高功率激光焊接过程中光致等离子体的声、光、电、热等四种特征信号,综述了国外在等离子体信号检测方面的试验方法及研究进展,分析了未来的发展趋势。     

高功率激光焊接光致等离子体的检测

系统地归纳了高功率激光焊接过程中光致等离子体的声、光、电、热等四种特征信号，综述了国外在等离子体信号检测方面的试验方法及研究进展，分析了未来的发展趋势     

激光焊接等离子体温度场测量及数据处理

应用光谱分析法测量激光焊接光致等离子体的温度场是激光焊接光致等离子体测量技术中的难点.采用基于快速傅里叶变换(FFT)和汉克耳变换的阿贝尔逆变换数值方法,研究出一种等离子体二维温度场分布的数据处理方法,并进行了计算精度分析.利用该数据处理方法,在取样点为41个的时候,得到的标准误差e大约为3.23×10-2.同时,进行了焊接试验,采用多通道光谱仪观测孔外光致等离子体,利用所提出的新方法实现了试验数据的处理,获得激光焊接孔外等离子体的温度场.计算得出的温度场呈相对于光束中心的四周低中间高的趋势.     

YAG脉冲激光焊接的光致等离子体机理研究

针对 YAG脉冲激光焊接 Al及 4 5#钢时产生的光致等离子体 ,采用空心圆电极探测等离子体电信号 ;建立探测器内等离子体区域分析的理论模型 ,并用试验加以验证。研究结果表明 ,在负电压段 ,等离子体电信号的电流随电压增加呈现饱和趋势 ;理论与试验曲线比较证明 ,等离子体温度高于被焊材料气化温度约 30 0 K。     

激光深熔焊焊缝的熔透性监测研究

随着激光焊接在国防工业中的应用越来越广泛，焊接质量的监测和控制逐步成为一项重要的研究内容，而焊缝的熔透性控制是其中最重要的参数之一，特别对于一些密封件而言。通过对伴随激光深熔焊接所存在的光致等离子体的蓝紫光信号相对强度的监测，以判断焊缝的熔透性。利用信号监测系统，在焊接时采集光致等离子体蓝紫光的强度作为原始分析信号，通过对数据的分析和处理，以及大量的实验结果与数据分析结果的对比，寻求信号与焊缝熔透性的关系。研究结果表明，焊缝的熔透性与光致等离子体光信号的累积强度有对应关系，当焊缝全部熔透时，光信号稳定性非常好，而一旦焊缝处于未熔透或熔透性差时，光信号会产生极大的波动。     

激光焊接中的等离子体振荡

在激光焊时发现存在等离子体光辐射振荡，频率约为1kHz。说明在激光焊接过程中等离子体有产生一熄灭的过程。研究结果为设计激光焊接质量监测装置提供了有益的数据。     

CO2激光焊接等离子体高速摄影照片图像处理

本文讨论了采用计算机处理激光焊接等离子体的高速摄影照片。等离子体面积计算采用象素,并以象素的个数来表示,给出了等离子面积分布的直方图;给出了基于灰度的等温线;分析了将激光焊接等离子体分为具有10个不同折射率的区域时对入射激光传输的影响,结果表明:等离子体使入射激光发散,呈现出负透镜效应,严重情况下甚至使焊接不能进行。     

辅助气体对CO_2激光焊接光致等离子体屏蔽的影响

采用２０ｋＷＣＯ２激光加工系统焊接低碳钢，研究了辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响。研究结果表明，辅助气体不同时等离子体屏蔽临界功率密度由小到大的排列顺序为：Ａｒ→Ｎ２→ＣＯ２→Ｈｅ。Ａｒ作为辅助气体时，等离子体屏蔽的临界功率密度可以低至１．８５×１０６Ｗ／ｃｍ２。辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响主要取决于气体的导热性和解离能，相比而言，气体电离能的影响是次要的。采用Ａｒ作为辅助气体时，等离子体屏蔽临界功率密度低的原因主要在于Ａｒ的导热性能差，激光支持的燃烧波（Ｌａｓｅｒ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＷａｖｅｓ—ＬＳＣ）波容易过热和扩展。     

低碳钢CO_2激光焊接光致等离子体屏蔽的实验研究

采用20kWCO2激光加工机焊接st37－2钢,研究了辅助气体种类、气体流量以及聚焦激光束的离焦状态对等离子体屏蔽的影响。结果表明,不同辅助气体时等离子体屏蔽临界功率密度存在很大差异,由小到大的顺序为：Ar→N2→CO2→He。He良好的控制等离子体的能力不仅在于He高的电离能不易形成LSC波,更主要地在于He良好的导热性能抑制了LSC波的扩展。增大辅助气体流量或采用负离焦均可以在一定程度上减小等离子体屏蔽对焊接过程的影响。     

镀锌钢激光添粉焊接的等离子体监测机理

采用CO2激光器对1.6mm厚的B340/590DPD+Z镀锌钢板间添加不同量铜粉进行了激光搭接焊。基于光谱仪采集的焊接等离子体光信号,分析添加铜粉对焊接过程产生的等离子体光信号的影响,以及焊接气孔与等离子体光信号的关系。焊后采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)对焊缝截面扫描,检测铜元素的平均含量及气孔内壁主要元素的分布变化。研究结果表明,添加铜粉较未添加铜粉激光搭接焊时,等离子体温度振荡显著降低,平均温度下降约5000K;气孔内壁存在着铜锌固溶体合金,且焊缝中的气孔缺陷与CuI324.8nm谱线强度存在着关联。此结果为镀锌钢添加粉末激光焊接监测提供了理论依据,并为等离子体控制技术提供了一种新的方法。     

CO_2激光深熔焊接光致等离子体控制的研究

采用２．５ｋＷＣＯ２激光器焊接不锈钢，设计一个由两个同轴圆管组成的双层喷嘴，研究了Ａｒ和Ｈｅ的组合方式、流量、喷嘴角度等对光致等离子体控制效果的影响。当内管通Ａｒ，外管通Ｈｅ且喷嘴角度大于４５°时可将等离子体完全抑制在蒸发沟槽之内，从而获得具有大的熔深和深宽比的焊缝。控制等离子体所需的Ｈｅ气流量与焊接速度有关，焊接速度增加，Ｈｅ气流量减小     

激光深熔焊等离子体电信号振荡特征与焊缝熔深的特征关系

针对激光深熔焊接过程的监控问题,基于小孔内部压力平衡条件分析了小孔振荡和小孔深度的关系。在此基础上基于小孔行为与等离子体行为的耦合性,以及等离子体振荡特征与等离子体电信号波动特征的一致性,利用短时自相关分析方法分析了A304不锈钢和Q235碳钢在激光深熔焊接过程中等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系。结果表明,等离子体电信号振荡周期随焊缝熔深的增加而增大,并且不同焊接材料的等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系不同。最后,在可变热输入连续焊接验证实验中,在焊接过程稳定的条件下,等离子体电信号的短时自相关分析结果与焊缝熔深之间有比较好的对应关系,与所分析的小孔振荡特征方程具有一致性。     

激光深熔焊接过程中的光致等离子体行为特征模拟

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。