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激光-双TIG复合焊接中激光同步诱导电弧等离子体的研究

时间:2022-09-30 05:32:11 作者:乐鱼体育app 来源:乐鱼体育安卓版

  本文首先提出了一种激光诱导的双弧焊复合焊接技术;基于弧光谱的诊断,提出了一种同步感应的判断办法;通过增强的激光效应来增强双弧焊可以通过调节参数来实现;与此同时探索了激光同步诱导增强双弧焊的机理。

  摘要:为了实现双TIG电弧的耦合放电,提高电弧能量的利用效率,本文研究了激光对双电弧等离子体的同步诱导。通过高速摄像和光谱诊断的方法,分析了双电弧焊和复合焊中电弧等离子体形状、电子温度和密度的特点。建立物理模型来讨论同步诱导机制。结果表明,热源之间存在四种典型的位置关系,形成了四种双电弧等离子体形状。其中,同步诱导只存在于电子密度比普通双电弧热源高60.64%的耦合等离子体中。当复合焊接中产生小孔电流时,小孔电流与两电弧电流之间的电磁力之和就是同步诱导的驱动力。当驱动力大于双电弧刚度时,发生激光同步诱导双电弧。

  低能耗、高效率、高质量焊接一直是焊接研究领域的主要目标。近年来,由于激烈的市场竞争和工业需求的迅速增长,新型电弧焊接技术不断发展。目前,双TIG电弧焊技术已发展成为一种稳定高效的焊接方法。由于双TIG焊接技术具有提高薄板焊接速度、提高沉积速率等优点而受到广泛关注。

  在双TIG焊接中,由于两个电弧在同一熔池上燃烧,焊接总热输入得到了改善,且热量分布发生了变化。因此,熔池具有足够的液态金属和热量以获得更高的沉积速率。另外,使用单个TIG热源进行高速焊接时,需要提高焊接电流,而较大的电流会产生更强的电弧力。液态金属排到熔池周边来不及回填,形成底切和驼峰缺陷。薄板的高速焊接缺陷可以通过双TIG热源解决,因为其电弧压力较小,且母材充分熔化消除了熔池润湿性差的问题。这种焊接方法的突出优点主要是通过两个电极在降低电弧压力的同时提高了焊接电流的上限,而热源的物理性质没有改变,如低能量密度和利用率。

  现阶段,双TIG焊接技术还存在阻碍其进一步发展和扩大应用的问题:焊接能耗高。因此,为了提高这项技术和电弧能量的利用率,寻找一种基于双TIG电弧的低能耗、高效率的焊接方法具有重要意义。

  激光-电弧复合焊接于1979年由Steen首次提出。由于其在焊接穿透性和焊接速度方面的显著提高,引起了众多研究人员的关注,且形成了激光与电弧相互作用的理论。众所周知,在复合焊接中,激光照射金属板形成激光匙孔,且电弧等离子体对金属表面的预热作用可以提高激光能量的吸收率。此外,激光对电弧等离子体具有吸引和稳定作用。本质上,匙孔等离子体为电弧等离子体中的电子移动到工件上提供了一个较低的电阻率导电通道,允许电弧能以最有效的方式输入到被处理的材料中。因此,基于匙孔等离子体的这一特性,激光同步诱导双TIG电弧可能是实现双电弧耦合放电,提高电弧能量密度的有效途径。然而,过去几年对激光-双TIG复合焊接技术的研究较少,激光对双TIG电弧的同步诱导机制尚不清楚。因此,为了充分发挥双电弧焊的优势,进一步提高这种焊接方法的应用,有必要研究激光辐射同步诱导双TIG电弧等离子体。

  在激光-双TIG复合焊中,激光和两个电弧有多种空间排列。当两个电极平行于激光束两侧的焊接方向放置时(L-T-T模式),由于焊枪角度和焊接方向的共同影响,两个电弧等离子体呈现不同的状态,不利于诱导现象的观察和比较。

  为保证电弧等离子体处于同一状态,本文选择了两个电极垂直于激光束两侧焊接方向放置的混合焊枪结构(L-TT模式)作为研究对象。本文详细研究了激光对电弧等离子体的同步诱导现象和机理。由于镁合金的低熔点、低沸点和低电离能,选择在镁合金板上进行焊接实验。同步诱导的实验现象被放大,此举有利于观察实验结果。

  高速相机和光谱仪用于连续准确地采集双电弧等离子体的信息,包括等离子体形状和光谱信息。对比分析了电弧等离子体的物理特性(电子温度、电子密度)。通过研究复合焊接参数与同步诱导现象的关系,建立了一个物理模型,以准确定量分析同步诱导机理,对激光-双TIG复合焊接的发展具有重要指导意义。

  激光-双TIG复合焊接系统如图1所示。它由一个脉冲Nd:YAG激光电源和两个独立的OTC AEP-500P TIG焊接电源组成。激光束的波长为1064nm,通过焦距为150mm的凸透镜将直径为0.6mm的圆形光斑聚焦在工件上。激光器平均额定功率为1kW,脉冲能量由脉冲激光器的激发电流和脉冲宽度控制。双电弧由两个彼此靠近的TIG焊枪产生。焊枪分别配有经过特殊处理的陶瓷喷嘴,确保两个钨极尖端(Daa)之间的距离可以自由调节。两把TIG焊枪置于激光束的同一侧,对称分布在激光束轴线所在的XZ平面上。焊枪夹角约15°,焊枪与工件夹角约45°。Daa和钨电极尖端与激光束轴(Dla)之间的水平距离可以通过0.003mm微米平移台的精度分别进行调整,实现了电弧和激光的近轴混合。选择直流正接(DCEN)作为TIG电弧模式。保护气体采用纯度为99.99%的氩气,通过枪喷嘴的保护气体流量设定为10L/min。焊接方向如图所示。

  为了获得双电弧等离子体的正面轮廓,高速相机平行于焊接方向放置。中心波长为514.9 nm和808 nm的窄带滤光片分别放置在相机镜头前,对焊接区域Mg和Ar原子的发射光进行过滤和收集,如图2所示。相机采集频率为2000帧/秒,连续两幅图像的时间间隔为0.5ms。

  普林斯顿公司生产的SP-2556发射光谱仪被用于检测焊接过程中的电弧等离子体。如图1所示,电弧等离子体的光发射信号通过凸透镜2倍放大倒像显示在成像屏上,以提高采集位置的精度。光纤探头采集到的光发射信号传输到光谱仪,转换为电信号,并在计算机软件(WinSpec/32)中绘制强度波长曲线。为了减少误差,光谱仪的冷却系统会在采集前将内部线ºC。光谱采集的波长范围、曝光时间和分辨率可以通过软件设置。

  本文采用分辨率为0.128nm的300 grove/mm光栅收集350nm至850nm波长范围内的电弧等离子体的光谱信息,用于计算电子温度。此外,采用分辨率为0.011nm的2400 grove/mm光栅采集单光谱线信息,用于计算电弧等离子体的电子密度。曝光时间和数据读出时间分别设置为10ms和13.4ms。

  目前,在激光-电弧复合焊接的研究中,研究结果表明,当激光能量照射金属板表面时,如果电弧等离子体根部被迫移动到激光作用点,就会发生激光对电弧的吸引力。在激光-双电弧复合焊接中,由于存在两个电弧热源,激光对双电弧等离子体的同步诱导并没有明确的定义。

  在本文中,同步诱导定义如下:在激光-双TIG复合焊接中,当激光能量作用于金属板表面时,两个电弧等离子体的根部被迫移动到激光作用点。同时,以激光作用点为中心,双电弧放电通道收缩为能量集中的耦合等离子体的公共导电通道。因此,应该会发生同步诱导。

  为了研究激光对双电弧的诱导现象,通过调整Dla、激光脉冲能量和Daa三个参数进行了一系列实验。利用高速摄像机对双电弧等离子体的动态行为进行监测。详细的实验参数见表2。初步观察表明,双电弧等离子体有四种形态,对应于表3中的四个参数组合。图3和图4分别为Ar电弧和Mg电弧等离子体在不同的焊接工艺下的形状。从图3(a)可以看出,当Dla比较小时(约0.75mm),双电弧等离子体呈现分散状态,称为分散等离子体。值得注意的是,在激光脉冲的早期阶段,Ar等离子体的底部发生畸变,Mg等离子体中出现了尖锐的凸起。在图3(b)中,当Dla为2.25mm时,随着激光脉冲的连续作用,双电弧等离子体从初始状态逐渐收缩到激光作用点,最终形成狭窄而集中的公共导电通道,并形成耦合等离子体。图4 (b)中同步产生了一个突出的Mg等离子体。当Dla持续增加到4.5mm时,激光脉冲作用在熔融金属较少的熔池边缘。金属蒸发引起的高反冲压力和金属蒸汽流动引起的剪切应力加速了熔体围绕匙孔的向上运动,导致大量飞溅。并且电弧等离子体保持其原始状态,几乎不受匙孔等离子体的影响,如图3(c)和图4(c)所示。当Dla为2.25mm,且Daa从2mm调整到4mm时,如图3(d)所示,Ar等离子体在激光的作用下分成两部分,称为分离等离子体。Mg等离子体的形状仅在激光作用点上方略微膨胀。

  综上所述,耦合等离子体明显形成了一个明亮而集中的公共导电通道,因此对同步诱导现象的判断简单方便。原始等离子体几乎没有变化可判断为无诱导。然而,在分散等离子体和分离等离子体中,电弧和激光之间似乎有很强的相互作用,但没有明显的公共导电通道,因此很难通过等离子体的形状直接判断是否发生同步诱导。

  当难以通过等离子体形状判断同步诱导时,可采用光谱分析法。为了分析电弧等离子体的物理特性,选择电弧等离子体的中心位置来收集光谱数据。由于电极高度为4mm,所以采集位置A设置在激光作用点上方2mm处。采集位置如图5所示。

  本文连续采集不同焊接工艺下350nm至850nm波长范围内的双电弧等离子体的光谱信息,并将数据记录在光谱软件中。表3中四种焊接工艺的光谱线所示。每种焊接工艺包括半双电弧焊和半复合焊。图6(b)中发生同步诱导时,与双电弧焊相比,复合焊中Mg原子的光谱线强度大大增加,尤其是Mg I 516.732nm的强度从29187增加到64151。Ar原子的强度略有减少。原因是匙孔等离子体中低电离能的Mg原子进入电弧等离子体,这在之前的报道中有过详细描述。图6(c)表明复合焊和双电弧焊中Mg和Ar原子的强度相同,表明双电弧等离子体几乎不受匙孔等离子体的影响。从图6(a)可以看出,复合焊中Mg和Ar原子的强度低于双电弧焊。在图6(d)中,复合焊接中Mg原子的强度部分高于双电弧焊,而Ar原子的强度突然下降,几乎消失。图6中各曲线的波动表明,激光和电弧等离子体之间的相互作用随着它们的位置关系而变化。下面讨论图6(a)-(d)中光谱变化的原因。

  图3(a)中Ar等离子体的变形和图4(a)中Mg等离子体的凸起证实了这一点。膨胀导致Mg和Ar原子的光发射强度降低,如图6(a)所示,并降低了光谱采集位置的电子密度,从而降低了粒子之间的碰撞截面。较低的碰撞概率会增加电子速度,从而导致较高的电子温度。

  位置关系2:双电弧等离子体根部刚好覆盖匙孔。在这种情况下,低电阻率的匙孔等离子体作为大阳极点吸引放电空间中的带电粒子会聚到匙孔,使双电弧等离子体与匙孔等离子体连接,在匙孔上方形成一个高光高密度的粒子通道。匙孔中的粒子可以顺利进入双电弧等离子体。具有低电离能(7.68 ev)的Mg原子更容易蒸发和电离。Mg原子代替Ar原子(15.84 ev)参与导电,导致Mg原子的光谱强度增加而Ar原子的光谱强度降低,如图6(b)所示。通道中粒子组成的变化导致电子温度降低和电子密度增加。

  图4(d)中,少量Mg离子的进入引起双电弧等离子体空间的轻微扩大。Ar离子被部分置换后,Ar等离子体的体积会减小。由于电弧根部远离匙孔,Ar等离子体无法与匙孔等离子体连接,而是在钨电极尖端附近迅速收缩,明显形成两个导电通道,即分离的等离子体形状,如图3(d)所示。因此,在光谱采集点中仅存在Mg等离子体,而Ar等离子体几乎消失。该结果与图6(d)中的变化一致。Ar原子光发射的消失导致A点电子温度和密度降低。估算每个焊接过程中等离子体的电子温度和密度,每个计算结果由至少20个值的平均值来确定,以减少估计误差。计算结果如表4所示,可以很好地证明前面的分析。

  综上所述,只有位置关系2能够实现双电弧的同步诱导,即当激光作用时,双电弧形成一个电子密度提高了60.64%的耦合等离子体。该状态下的焊接效果如图8所示。两种焊接工艺的焊缝宽度基本相同。复合焊接的焊缝熔深从2.2mm增加到6mm,增加了2.7倍。因此,结合双电弧等离子体的形状和光谱信息,可以准确有效地判断是否发生同步诱导。

  表4不同焊接工艺中的电子温度和密度。(a)、(b)、(c)和(d)的主要参数见表3

  ▲图7激光-双TIG复合焊接过程中的四个位置关系。(1)位置关系1。(2)位置关系2。(3)位置关系3。(4)位置关系4。

  其中ΔE(eV)是原子能级系统中的最大能隙。根据该公式,当电子温度为16000K时,ΔE为2.636 eV(MgI470.299nm),电子密度约为3.71×1015cm-3。表3中电子温度计算结果均小于16000k,电子密度实际计算值均达到1017cm-3,高于临界值。因此,双电弧焊和复合焊都符合LTE假设。

  图9中三组实验的诱导结果可以看出,实心点的面积呈“锤子”状。这表明激光对双电弧等离子体的同步诱导能力随着激光脉冲能量的增加而增加

  此外,我们还可以发现,当图9(3)中Daa相对较大时,随着Dla的增加,诱导变得更加困难。当图9(1)中的Daa相对较小时,在Dla足够大的情况下更容易发生同步诱导。通过分析图9中的数据,可以注意到Daa的值对实心点和空心点的分布影响很大。图10显示了在三种Daa条件下MgI516.732nm在复合焊和双电弧焊中的光谱强度随Dla的连续变化。可以发现,在双电弧焊中,随着Daa的增加,Mg原子的光谱强度逐渐降低,因为Daa的值会影响双电弧叠加后的电场强度。Daa越小,叠加场强越大,电弧电压越高,电子运动的驱动力越大。采用汉诺威分析仪测量不同Daa条件下电弧的输出电压。

  图11所示。在复合焊接中,当Daa从1mm增加到3mm时,Mg原子强度增加最大的Dla位置从3.75mm逐渐减小到2.25mm,这与图9

  Dla和Daa对Mg原子光谱强度的影响。激光脉冲能量:16J,其他焊接参数见表2。

  图12(1)所示。实验中电弧电流为DCEN模式,因此电弧的电导率和电流密度j可用公式4和5表示:

  其中k是玻尔兹曼常数,Te是电子温度,me是电子质量,是电子的平均自由路径,e是电子电荷,E是电场强度。由上式可知,电弧的电流密度与电子温度Te和电场强度E成正比。在双电弧焊中,Daa值越小,叠加电场的强度越大,双电弧等离子体的电子温度也越高。因此,在较小的Daa条件下,双电弧呈现更强的叠加电流强度。

  一般情况下,在钨电极与金属板之间的最短距离处,电弧更倾向于形成弧柱。当电极垂直于工件时,在电极下方沿轴线方向形成弧柱,等离子体气流流动引起的电弧等离子体径向压力几乎平衡[29]。当电极向工件表面倾斜时,径向压力的平衡被破坏。电弧沿电极轴延伸,直到径向压力Fr和电弧刚度Fs达到新的力平衡。事实上,电弧刚度越大,电弧延伸的越长。以Daa为1mm和3mm的双电弧等离子体为例,双电弧的长度变化如图12(2)所示。电弧刚度可以用流过钨电极的电弧电流与放电空间产生的磁场之间的电磁力来解释。电磁力Fs如

  其中是介电导率,I1是双电弧电流,与双电弧电流的密度成正比,I2是钨电极电流,L是两导体之间的距离。Daa为1mm时,可以通过较大的叠加电流强度来提高电弧刚度,且双电弧的弧长较长。随着Daa的增加,叠加电流的强度减小,电弧长度较短。在固定的焊接电流参数下,Daa的变化引起板面电弧双弧弧根的运动,这意味着当Daa较小时,激光与电弧等离子体之间的相互作用更容易发生在较大的Dla中。

  与激光吸引单弧的条件类似,Dla仍是双电弧等离子体同步诱导实验中的一个非常重要的因素。由于Dla与电弧长度不匹配,激光和电弧等离子体之间很难发生粒子迁移和能量转移[22,30]。从中可以看出,在焊接电流保持恒定的情况下,Daa的值会影响双电弧的弧长。因此,选择与弧长相匹配的Dla是实现激光同步诱导双弧等离子体的前提。

  为了保持电弧,钨电极和母材之间必须有稳定的电场。在复合焊接中,激光的高能量密度和液态金属的高能量吸收有利于形成匙孔。当匙孔靠近电弧等离子体根部时,匙孔中必定存在电场的轴向分量。大量电荷(Mg离子和电子)在电场力的驱动下沿一定方向移动,如图13(1)

  其中j是电流密度,Eax是匙孔中的轴向电场强度,是匙孔等离子体的电导率,U和l分别是从匙孔顶部到底部的电压降和路径长度,R是电流传导截面。当假定匙孔为圆柱体时,R近似为匙孔的半径。

  其中F1和rka分别是电弧电流与匙孔电流之间的电磁力和距离,F2和D分别是两个电弧电流之间的电磁力和距离,h是匙孔深度,s是电弧长度,Ia是电弧电流强度。在图13(2)的模型中,rka可大致认为是圆弧根部和锁孔之间的距离d。由于两个钨电极对称排列,所以D约等于2d。因此,总驱动力为:

  显然,当其他参数固定时,Ftotal与h、s、Ik和Ia成正比,与d成反比。为了使模型更接近真实的实验条件,阴极发射的强电子流引起的电弧刚度不可忽视,这是抵抗外界干扰和防止等离子体形状和方向改变的固有特性。从公式6可以看出,电弧刚度与电弧电流强度成正比。因此,Ftotal与电弧刚度的关系决定了双电弧等离子体根部能否移动到激光作用区并形成单个电流通道。在合适的Dla条件下,热源之间的引力驱动力足够大且超过了电弧刚度,这是实现激光同步诱导双电弧等离子体的第二个条件。

  中,激光脉冲能量的增加提高了同步诱导能力。原因如下:一方面,激光脉冲能量的增加提高了对板的高密度能量输入,且金属粒子的电离程度增大,提高了匙孔等离子体的电导率。另一方面,匙孔的深度也随着脉冲能量的增加而增加。这两个方面都增加了驱动力Ftotal。当激光脉冲能量过小,Daa过大时,相当于减小Ik,增大d,Ftotal大大减小。在这种情况下,同步诱导很难实现,如图9(3)所示。

  另外,当Daa足够大且电弧偏离激光作用点太远时,匙孔附近的温度很低,匙孔中的放电粒子很难进入电弧等离子体,甚至只能存在很短的时间。因此不能在匙孔中产生电流。当Daa减小时,Ftotal和电弧刚度都增加。因此,在这种情况下,只有当Ftotal大到足以超过电弧刚度时,才会发生同步诱导。如图9(1)所示,当Daa很小时,同步诱导现象发生在较大的Dla上。根据第4.1节,当Daa较小时,电弧等离子体会扩展。选择较大的Dla可以缩短工件表面激光作用点与弧根的距离,较小的d有利于同步诱导。

  ※ 激光器与双电弧之间有四种典型的位置关系,分别对应于双电弧的四种等离子体形状(原始等离子体、分散等离子体、耦合等离子体、分离等离子体)。其中,同步诱导只存在于耦合等离子体中,形成具有能量集中的公共导电通道。在本研究的实验条件下,与双电弧热源相比,混合热源的电子密度提高了60.64%,焊接熔深是双电弧的2.73倍。