激光脉冲与MIG电弧相位匹配的镁合金复合焊接熔滴过渡热、力耦合研究

针对大尺寸、大厚度镁合金优质高效焊接问题，提出激光脉冲与MIG电弧相位匹配的镁合金激光-MIG电弧复合焊接新思路。通过研究激光脉冲作用下电弧等离子体的聚集形态，复合电弧等离子体区粒子组成及跃迁方式的演变规律，镁合金熔滴过渡过程电弧阴极斑点、阳极斑点的运动方式，揭示激光脉冲与电弧相位匹配对电弧稳定性与熔滴受力状态的影响机理。通过探讨激光脉冲对局部电弧热输入的触发控制机理，复合电弧等离子体局部区域的电子温度和电子密度的变化规律，阐明基于激光脉冲与电弧相位匹配的镁合金熔滴过渡热输入的精确控制机制。建立熔滴过渡热、力动态作用模型，描述激光脉冲与电弧相位匹配对镁合金熔滴过渡的热、力耦合作用机制，进而为解决诸如焊接飞溅等镁合金脉冲激光-MIG复合焊接技术开发的系列关键科学问题奠定理论基础。

针对大尺寸、大厚度镁合金优质高效焊接需求，本项目提出基于激光脉冲与MIG电弧相位匹配的镁合金激光-MIG电弧复合焊接新思路。基于NI Labview和NI-DAQ 9.30函数库开发了一套应用于脉冲激光-电弧复合焊接的相位匹配控制系统，提出了加锁触发算法，实现了激光脉冲与电弧波形的精确触发控制，并开发了电焊机与激光器的首次测试模块，实现了对电焊机及激光器硬件系统特征参数的精确测定。采用高速摄像系统对镁合金MIG焊接熔滴过渡机制和焊接飞溅行为进行研究，找到了镁合金脉冲MIG焊实现稳定焊接过程的参数范围。进一步开展了基于相位匹配的YAG脉冲激光-脉冲MIG电弧复合焊接工艺研究，激光脉冲的加入改变了镁合金熔滴过渡的方式及频率，实现了镁合金焊接过程熔滴过渡的稳定控制。通过建立熔滴过渡模型，发现激光脉冲的加入能够减小MIG电弧的有效截面面积，增大促进熔滴过渡的等离子流力，是改变镁合金熔滴过渡形式和过渡频率的主要原因。相对于直流脉冲MIG焊，YAG脉冲激光-脉冲MIG电弧复合焊的熔滴过渡频率约增加43%，飞溅损失约减小11%，显著改善了镁合金焊缝成形质量，并实验验证了YAG脉冲激光-脉冲MIG电弧复合焊接大厚度镁合金的可行性。