激光与电弧相互作用时的电弧形态及焊缝特征

激光与电弧的复合热源在焊接过程中，由于激光的压缩与引导作用，可以在焊接速度增加时，电弧仍然较稳定。在去掉激光同轴保护气流而只采用TIG的保护气体进行保护时，由于激光同轴气体的冲击、压缩和冷却作用的消失，等离子气体将会随着电流、激光功率的增加而增大，因而引起焊缝横截面的变化。通过调整激光与电弧的规范参数，并用CCD摄取各参数下的电弧图像以分析等离子体的长大情况，然后将得到的焊缝沿横截面剖开。通过对各种参数下等离子体图像和焊缝横截面之间的相互的关系进行分析，得到与常规情况下相比熔宽较宽而熔深较浅的焊缝的焊接参数。这种产生涂敷型焊缝的参数可用于高速表层涂覆。     

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。     

低功率YAG激光-MAG电弧复合焊接不锈钢

以0Cr18Ni9Ti不锈钢钢板为试验材料,研究了低功率脉冲YAG激光-脉冲MAG电弧复合热源和单脉冲MAG焊接不锈钢.结果表明,低功率脉冲YAG激光-脉冲MAG电弧复合热源同样具有大功率激光-电弧复合焊接才有的增加熔深、提高焊接速度、稳定焊接过程等优点;低功率脉冲YAG激光的加入改变了电弧形态,电弧根部被吸引和压缩现象显著,提高了能量利用率;与单脉冲MAG堆焊相比,在相同焊接速度下复合焊最大能增加熔深1.3倍,在相同熔深下复合焊的焊接速度可以提高50%;复合焊焊缝的晶粒较单MAG焊缝中的晶粒细小,其焊缝抗拉强度比单MAG的好,断裂属于延性断裂.     

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.     

TA2中厚板低功率激光诱导双电弧高效焊接及机理

采用低功率脉冲激光诱导双TIG复合焊接热源(LITTW)实现了6 mm厚TA2纯钛中厚板的高效焊接,基于Ti粒子的动力学行为,研究了激光脉冲对电弧等离子体的影响.结果表明,LITTW比激光诱导单TIG焊接(LISTW)的电弧能量更加集中,焊接能耗仅为LISTW的50.9%,速度却达到LISTW的2.3倍.激光脉冲作用后,电弧等离子体由能量集中状态恢复到原始电弧形态存在一个恢复时间,在本试验条件下,LITTW的恢复时间为6.5 ms,比LISTW延长了3 ms. LITTW中稳定的匙孔形态为Ti粒子持续向电弧等离子体转移提供了条件,延长了电弧等离子体的恢复时间.     

激光-电弧复合热源焊接

在激光热源的基础上复合电弧进行焊接，可以降低焊接成本，提高焊接效率。本文综述了激光—电弧复合热源焊接国内外研究的现状，对旁轴式和同轴式两种复合方式进行了分析比较，并展望了该技术的发展前景。     

电弧对激光吸收与散焦的定量测量

复合热源焊接过程中，激光与电弧之间相互作用的物理机制一直是复合热源焊接技术研究中的难点。激光形成的锁孔对电弧有吸引、压缩作用，由于激光穿过电弧时能量被电弧吸收和散焦，对锁孔的稳定形成有直接影响，因此研究激光穿过复合电弧时的吸收与传输特性对分析复合热源焊接机理、合理选择工艺参数有重要意义。文中设计一种新型试验方法，采用激光烧蚀有机玻璃的方法定量测量CO2激光穿过电弧时，电弧对激光的吸收与散焦特性，通过有机玻璃的烧蚀深度和烧蚀宽度反映激光能量的损耗，获得了不同焊接电流与电弧位置对激光能量的影响规律。     

激光-电弧复合热源

介绍了一种新型的激光——电弧复合热源焊接技术。它包括了3种主要的方法：电弧加强激光焊接、激光辅助电弧焊接和电弧激光顺序焊接。讨论了每一种方法的机理和应用前景。     

激光-电弧复合热源及等离子体模拟研究现状

激光-电弧复合焊作为一种新型高效复合焊接工艺,受到国内外学者的广泛重视。综述了激光-电弧复合焊热源耦合机理及数值模拟热源模型,详细介绍了复合热源模型的应用及等离子体的模拟现状,指出了建立激光-电弧复合焊统一的数学模型是未来研究的新方向。     

激光-同轴电弧复合焊接热源焊接

在建立和研究空心钨极电弧的基础上，对激光－同轴电弧复合焊接热源焊接特性进行了深入研究，试验结果表明，激光与电弧相互作用增强的效果十分显著，采用同轴电弧作为辅助热源增大焊接熔深的效力优于激光－旁轴电弧复合焊接热源焊接效果，在试验的基础上，得到了激光－同轴电弧复合焊接热源焊接熔深的变化规律。     

GMAW脉冲电弧对Nd:YAG激光能量的吸收

揭示了激光-电弧复合热源焊接过程中GMAW电弧对Nd∶YAG激光的吸收作用,对深入分析激光和电弧的耦合机制具有重要意义.通过保持脉冲GMAW电弧正常态,Nd∶YAG激光水平逐层、逐点扫描穿过脉冲电弧区域的试验方式,获得了Nd∶YAG激光穿过脉冲GMAW电弧后的能量损失情况.结果表明,波长为1.064μm的Nd∶YAG激光穿过保护气成分为Ar/CO2=80/20的脉冲GMAW电弧的任何区域都几乎不损失能量,波长为1.064μm的Nd∶YAG激光穿过不同电流强度的脉冲GMAW电弧也几乎不损失能量.     

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.     

低功率激光-双电弧焊接钛合金中厚板工艺及机理

采用单钨极惰性气体保护焊(single tungsten inert gas welding,STIG焊)、双钨极惰性气体保护焊(double tungsten inert gas welding,DTIG焊)、激光-STIG电弧(L-STIG)复合焊和激光-DTIG电弧(L-DTIG)复合焊4种方式对6 mm 厚TA2钛合金进行对接焊试验,实现单面焊双面成形. 结果表明,L-DTIG复合焊的电弧能量更为集中,焊接速度可达680 mm/min. L-DTIG复合焊的热输入为605.5 J/mm,仅是DTIG焊的35.5%和L-STIG复合焊的59.0%. L-DTIG复合焊接头的焊缝区晶粒细小,显微硬度可达229.5 HV. 拉伸试样在母材处断裂,接头抗拉强度优于母材. 加入激光后,L-DTIG复合焊的电弧等离子体中心导电区在xOz和yOz平面电弧分别收缩51.0%,45.5%,电弧根部收缩75.0%. 测得L-DTIG复合焊热源在工件上的电弧压力为3 465 Pa,分别是DTIG焊和L-STIG复合焊的4.17和2.25倍. 较高的电弧收缩比和电弧压力可显著提高焊接效率,降低焊接热输入.     

YAG/MAG激光电弧复合焊工艺研究

利用YAG激光焊头和MAG焊枪旁轴复合进行了1Cr18Ni9Ti不镑钢的激光电弧复合焊工艺研究。研究表明：影响复合焊过程的主要工艺参数有激光功率、焊接速度、焊接电流、电弧电压、激光焦点位1、两热源的间距和相对于焊接方向的排列方式等；在一定的焊接工艺条件下所研究的YAG／MAG复合焊具有协同效应。电弧参数测试也表明，当激光与电弧复合的协同效应存在时，复合焊电流高于电弧焊，而电弧电压降低；若电弧采用过大的焊接电流与激光复合，尤其是在较低的焊接速度时，复合焊过程体现不出协同效应．复合焊熔深反而低于激光焊熔深。复合焊激光焦点位置变化对电弧稳定性和熔宽影响小，但获得最大熔深的焦点位王不同于激光焊。激光前置焊比激光后置焊获得的熔深大，两种条件下均在两热源闻距为0.5mm时熔深最大。     

GMAW电弧对Nd:YAG激光传输的影响

针对脉冲过渡熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)电弧和短路过渡GMAW 电弧,通过保持 GMAW 电弧正常态,Nd:YAG 激光水平逐层、逐点扫描穿过脉冲电弧区域的试验方式,获得了Nd:YAG 激光穿过GMAW 电弧后的激光折射和散射结果.试验发现,波长为1.064μm的Nd:YAG激光穿过脉冲GMAW 电弧激光光斑会略微变小,并且不同电弧区域对激光的影响能力基本相同;激光穿过短路GMAW电弧后激光光斑也会略微变小,不同电弧区域对激光的影响也基本相同.结果表明,GMAW电弧可以近似看作各项同性的激光传输介质,还可以近似认为GMAW电弧对波长1.064μm的Nd:YAG激光是透明的.

Abstract：

By keeping gas metal arc welding(GMAW)arc normal position and Nd: YAG laser parallel crossing GMAW arc,refrangibility of GMAW arc to Nd: YAG laser was measured.The results indicate that when Nd:YAG laser crosses pulse GMAW arc,laser radius will decrease slightly.And the influence of pulse GMAW arc of different part to Nd : YAG is almost same.Similarly,when Nd: YAG laser crosses short-circuiting pulse GMAW arc,the radius of the laser will decrease slightly too.By considering this phenomenon from welding point of view,GMAW arc can be regarded as transparent substance and optic isotropy to Nd:YAG laser.     

激光功率对5356铝合金激光诱导MIG电弧增材制造组织性能的影响

为了改善MIG电弧增材制造5356铝合金的组织及力学性能,将低功率激光与MIG电弧增材制造结合,采用低功率脉冲激光诱导MIG电弧增材制造技术进行了不同激光功率下5356铝合金单道多层墙体成形试验,分析了激光功率对沉积态5356铝合金组织、显微硬度及拉伸性能的影响.结果表明,低功率脉冲激光诱导MIG电弧增材制造成形试样整体冶金结合良好、无明显的未熔合现象.墙体的微观组织主要呈等轴晶状,与单MIG电弧堆积的墙体相比,等轴晶变得细小均匀,显微硬度提高,波动较小.加入激光可以减少Fe元素、Si元素含量和气孔数量,使墙体的力学性能提高,当激光功率为300 W时达到最大值,较单MIG电弧堆积墙体的抗拉强度提高了12.0%.     

Characterisation of plasma induced during high power fibre laser welding of stainless steel

Abstract

The objective of this research is to obtain a fundamental knowledge of generation behaviour and ionised state of a plume or plasma induced during bead on plate welding of a 20 mm thick type 304 stainless steel plate with a 10 kW fibre laser beam of 0˙9 MW mm^–2 power density, on the basis of 10 000 to 40 000 flames s^–1 high speed video observation and spectroscopic analysis. The high power fibre laser produced a partial penetration weld of 12 mm in depth at 50 mm s^–1 welding speed. According to the high speed observation pictures, the laser induced plume was repeatedly generated from a keyhole at the interval of about 0&dot5 ms period to reach 12 mm in maximum height. The spectroscopy indicated the line spectra of neutral atoms of alloying elements of type 304 such as iron (Fe), chromium (Cr) and manganese (Mn). However, ionised spectra of alloying elements and line spectra of argon (Ar) neutral atom were not apparently detected under these welding conditions. Furthermore, the temperature and the ionisation degree of the laser induced plume were calculated to be approximately 6000 K and 0&dot02 respectively, by the Bolzman plots and Saha's equation. Consequently, the plume induced with the 10 kW fibre laser beam of the ultra high power density was judged to be weakly ionised plasma from these experimental results.