脉冲激光+脉冲GMAW复合焊接的动态耦合机理及相控式稳控策略研究

Laser + GMAW-P hybrid welding（HLAW-P）is an increasingly accepted joining technology for a variety of industrial sectors. The main advantages are the wider gap tolerance, higher welding speed, and improving the weld metal microstructure by using filler materials. But it still remain some problems to be optimized,this iclude how to cooperative control the different heat sources to ensure the stability of the arc,the consistency of the droplet transfer mod and the effective transmission of laser energy..Aiming at this situation, this reseach proposal a new phase-shift controlling pulse laser + GMAW-P hybrid welding method. By using a combination method of theoretical analysis, high speed camera system, optical emission spectroscopy system and three-dimensional numerical models, the coupling mechanism of laser-induced plasma and arc plasma under different phase and frequensy will be studyed. The control factors for the maximize efficiency under steady heat transfer and mass transfer will be revealed. The change of partical nubber density and the forces acting on the particals will be analyzed to explain energy transfer and the metal transfer mechanism. The mechanism of weld penetration and weld morphology changes will be researched and a control method will be established for getting greater penetration under the same average laser power output. The results of this study could be used to provide theoretic basis and practical guidance for pluse laser + GMAW-P hybrid welding technology and equipment manufacturing.

激光+脉冲GMAW复合焊可以获得比激光焊更大的熔宽和比脉冲GMAW焊更大的熔深。但是激光+脉冲GMAW复合焊在应用中存在一些问题，即如何将二者协同控制，实现等离子体耦合的稳定性、熔滴过渡形式的一致性以及激光能量的有效传输性。. 本课题针对激光+脉冲GMAW复合焊存在的问题，提出一种新型的调频相控式脉冲激光+GMAW-P复合焊接方法。利用理论分析、高速摄影、光谱分析等实验观测和数值模拟相结合的方法,研究不同相位和频率下激光等离子体与电弧等离子体的动态耦合行为，揭示稳定传热与传质情况下效率最大化的控制因素；研究等离子体内粒子数密度变化规律和粒子所受运动驱动力的变化规律，阐述复合焊等离子体形态的动态变化行为与熔滴受力及激光能量传输的关系；研究焊接熔深和焊缝形貌变化的机制，建立同等平均激光功率输出下获得更大熔深的控制方法。本课题的研究成果为设计制造复合焊接专用设备与技术具有理论与指导意义。

本项目旨在探索在激光+脉冲GMAW复合焊在应用中如何将脉冲激光与脉冲GMAW进行协同控制，实现等离子体耦合的稳定性、熔滴过渡形式的一致性以及激光能量的有效传输性。项目利用理论分析、高速摄影、光谱分析等实验观测相结合的方法,研究不同相位和频率下激光等离子体与电弧等离子体的动态耦合行为。项目研究结果显示：复合过程中电离态的粒子数密度、电弧脉冲不同阶段粒子受驱动力以及金属蒸汽与激光的耦合程度的差异将直接影响等离子体的形态。相较于连续激光复合，脉冲激光复合后整体等离子体的区域明显变小，激光等离子体的膨胀现象减弱,扩散范围明显收缩；进一步如果在脉冲激光复合过程中将激光脉冲的峰值错开电流峰值的上升时期，可以达到抑制这一瞬态时刻等离子体急剧膨胀的现象；等离子体的形态会影响熔滴电磁力的大小和方向。采用脉冲激光的时候，电弧等离子体偏向激光匙孔区域的现象减弱，此时在熔滴的下部出现的电磁力向上和向内的分量变小，阻碍熔滴过渡的力变小，熔滴更容易实现脱落与过渡；脉冲激光+脉冲GMAW复合焊接，可以通过一定的相位匹配关系来抑制等离子体的膨胀，提高激光能量的传输，研究结果发现，复合过程中如果激光脉冲的峰值错开电流峰值的上升时期，可以达到抑制这一瞬态时刻等离子体急剧膨胀的现象；等离子体内粒子数量增大和等离子体的高度增加都会减弱激光能量的吸收，采用脉冲激光后等离子体的高度明显下降，脉冲激光复合较连续激光复合可以在平均功率较小的情况下获得更大的熔深。本课题的研究成果，为设计制造适用于脉冲激光+脉冲GMAW复合焊接的专用设备与技术具有理论与指导意义。