大厚度材料窄间隙坡口中的激光-GMA复合焊拘束等离子体交互机理的量化研究和控稳方法

High Power Laser + GMA hybrid welding is an advanced welding technology that develops rapidly and gets lots of attention in recent years. Besides its remarkable adaptation for different materials, it has significant capacity of decreasing the number of weld beads, increasing welding speed and reducing welding distortion in the field of joining for high-thickness plates. Aiming at the high Power Laser + GMA hybrid welding for thick plate, the interactive mechanism between laser-induced plasma and arc plasma inside a deep and narrow groove is studied. The following three scientific tasks are included: (1) to set up the thermal physical model of laser-induced plasma and arc plasma for quantitative description of interactive process and its mechanism; (2) 3D reconstruction of the temperature and electron density distribution of the unsymmetrical coupled plasma; (3) the influencing pattern of space limitation caused by groove on interaction between laser-induced plasma and arc plasma. A control strategy would be proposed eventually to seduce arc plasma to the groove root and burn steadily. The results of this study could be used to provide theoretic basis and practical guidance for high power laser + GMA hybrid welding technology. And it would contribute to the promotion and application of this technology in the manufacturing field including shipbuilding, bridge, petroleum engineering and so on.

高功率激光+GMA复合热源焊接是近年来得到迅速发展和密切关注的焊接前沿新技术，它在大厚板连接时可以大大减少焊接层数、显著提高焊接速度，并且具有可焊材料广、焊接变形小等优点，因此具有重要的理论意义和实用价值。本课题以大厚度材料的高功率激光+GMA复合焊接为对象，深入分析光致等离子体和电弧等离子体在深且窄坡口中的交互机制，研究三个科学问题：（1）建立光致等离子体与电弧等离子体的热物理模型，量化描述等离子体的交互过程和作用机理；（2）非对称交互等离子体温度和电子密度空间分布的三维重建；（3）坡口空间拘束对光致等离子体与电弧等离子体交互行为的影响规律，最终形成适用于大厚度材料高功率激光+GMA复合焊接的拘束等离子体控稳策略。本课题的研究成果将为高功率激光+GMA复合焊接提供理论基础和实践指导，有助于促进该技术在大厚板连接领域的推广和应用，为我国船舶、桥梁、石油等工程领域的大型构件制备提供技术储备。

激光+GMA复合焊接具有速度快、热输入小、热影响区窄，焊件变形及残余应力小等优势，在大厚板连接领域显示出巨大优势。但是该方法目前尚存在过程控稳能力差，焊缝易出现未熔透、咬边、孔洞等问题，迫切需要更为深入、系统的量化知识来认知和解决这些问题。. 针对高功率激光焊接等离子体能量密度大、变化速度快的特性，基于光纤传像束设计并搭建了金属蒸汽成像系统，设计了由多角度投影图像对等离子体进行三维重建的方法，量化描述了非对称等离子体内部结构。建立了激光+脉冲GMA复合焊接的等离子交互模型和熔滴过渡模型，量化描述了等离子体的耦合作用机理，发现金属蒸汽反作用力显著阻碍熔滴过渡，等离子体中带电粒子的扩散现象加剧，激光传输模式和工件吸收模式均发生变化。通过实验观察和模拟计算方法解析了坡口的空间拘束效应，发现高功率激光焊时，坡口增加了侧吹气体的吹扫效果和冷却作用，而在激光+GMA复合焊中，适度拘束有助于光致等离子体与电弧等离子体导电通道的维持，电弧燃烧更为稳定，熔池振荡幅度有所下降。. 将等离子体三维重建技术与基于特征谱线的电子密度计算方法相结合，提出了激光+GMA复合焊接等离子体的三维温度场重建方法，提出了等离子体中心投影模型，改进了投影权重计算法，降低计算量的同时提高了计算精度。提出了激光+脉冲GMA复合焊过程“一脉一滴”的熔滴过渡控制方法，提高了复合焊接过程的稳定性，改善了焊缝成形。采用外加拘束方法构建了等离子体控稳方法，提出了双热源耦合能量在焊接要素间的量化分配模型，确定不同焊接条件下的传输路径和传输效率。本课题的研究成果将为高功率激光+GMA复合焊接提供理论基础和量化分析方法，探索了激光复合焊接技术在特殊材料连接方向的优势，有助于促进该技术在大厚板连接领域的推广和应用。