激光-TIG双面对称作用下电弧物理机制与热传输特性

激光与电弧相互作用机理研究是目前复合焊接技术领域的研究热点，针对同侧复合焊接条件下无法描述激光与电弧相互作用全过程，且电弧等离子体呈非轴对称分布导致光谱分析困难等特点，为了揭示复合焊接激光与电弧相互作用的物理机制，本项目提出建立激光与TIG电弧双面对称复合焊接这种新研究环境来探索激光作用下电弧物理机制与热传输特性。通过试验和分析的手段，研究激光对电弧物理特性作用的基本规律和物理现象；进而通过红外热像仪、等离子体光谱测量和理论分析研究激光作用下温度场以及等离子体成份、电子密度和温度的空间分布规律，揭示激光、金属蒸气或激光等离子体与电弧之间相互作用机理；在此基础上建立激光-电弧双面焊接热源的数学模型，分析激光作用下电弧的热传输特性。课题的研究成果将进一步丰富激光与电弧复合热源焊接理论体系。建立激光-TIG双面对称复合焊研究环境探索激光与电弧相互作用机理在国内外未曾见过报道。

激光与电弧相互作用机理研究是目前复合焊接技术领域的研究热点，针对常规激光-电弧复合焊接条件下无法单独描述激光与电弧相互作用全过程这一问题，本项目提出了建立激光与TIG电弧双面对称复合焊接这种新的研究环境，通过控制激光焊匙孔的穿透程度，系统地分析了电弧中光致金属等离子体和激光从无到有、从少到多的变化过程对激光与TIG电弧对称作用下的焊缝成形、电弧等离子体形态、电弧电特性、物理特征的影响规律，并采用光谱诊断和数值模拟计算的方法分析了激光作用下电弧光谱特征和电子温度、密度分布规律及其温度场特征，进而阐释了激光作用下电弧弧柱收缩、弧根压缩和电弧膨胀的物理本质，进一步丰富了激光与电弧复合热源焊接的理论体系。通过研究取得了如下成果：.1、激光-TIG电弧双侧作用下，随着激光功率的增大，电弧逐渐出现三种典型的形态：弧柱收缩、弧根压缩，弧柱膨胀；分别对应了匙孔未穿透、匙孔少量穿透以及匙孔大量穿透三种熔透模式；.2、匙孔未穿透时，电弧中无光致金属等离子体穿透进入，电弧光谱特征与纯电弧无明显差异，电弧弧柱发生收缩，电弧的稳定性增强；激光以体热源形式在工件背面进行预热形成温度梯度大的热斑点是电弧弧柱收缩、电弧稳定的根本原因；导致弧柱收缩的热斑点温度梯度达到70K/mm以上。.3、匙孔少量穿透时，电弧根部聚集少量光致金属等离子体时，其Al、Mg谱线增强，Ar谱线则减弱；弧根处电子密度比纯电弧增加了约2.4倍，电子温度却比纯电弧降低了约3000K。弧根处形成的光致金属等离子体聚集区为电弧提供更加容易的导电通道，是电弧弧根压缩的本质原因;.4、匙孔大量穿透时，电弧弧柱膨胀，金属谱线和Ar谱线强度都很高，此时光致金属等离子体扩散至整个弧柱，是导致电弧弧柱膨胀的主要原因；弧根电子密度由纯TIG电弧时的2.95×1016cm-3下降至1.92×1016cm-3，电子温度与纯电弧差异不大；.5、建立了激光-TIG双面焊的动态热源模型，采用有限元方法模拟了双面焊熔池形成过程和温度场分布特征，揭示了激光作用下电弧焊熔池内部的热传输机制。