激光-电弧复合焊接热源能量密度分布状态的探针分析

The development of laser-arc hybrid welding technology depends on deep understanding of the heat source physical state. The energy density of the ionization area in hybrid plasma heavily influences the welding process and results. However, our present methods such as high speed filming and spectral diagnosing meet problems in accurate detection of these characteristics. Therefore, this research brings the plasma probe that is always used in low-pressure-plasma diagnosing, into the detection of welding plasma. By direct and fixed-point detections, the probe positions, electric potentials and currents can be collected in different conditions. By comparative analysis with the high speed images and spectral information, the states of the ionization area in the hybrid welding plasma can be calculated, including the boarder, the profile, the electric potential and current density distribution of this area. Then, the physical models for describing the ionization area and energy density of the hybrid welding plasma can be established accordingly, as well as the mathematic relationships among the welding parameters, heat source physical states and welding results. The above research results can lay the foundations for the progress of laser-arc hybrid welding technology.

激光-电弧复合热源焊接技术的发展依赖于对热源物理状态的深入了解。复合热源等离子体内电离区域的能量密度分布对焊接过程和焊接结果具有重要影响。然而，目前采用高速摄影、光谱分析等检测方法难以对热源的该特性进行准确测定。本项目将探针检测技术引入焊接等离子体的状态研究，以等离子体探针对电弧等离子体内部的直接定点探测为切入方法，收集不同条件下探针位置、探针自身电位和探针回路电流等信息。通过与高速摄影和光谱诊断结果比对分析，计算复合等离子体电离区域边界、形状、电位分布、电流密度分布等静态特征。建立复合热源等离子体电离区状态和能量密度分布的物理模型，揭示焊接参数、热源能量密度状态以及焊接熔化区状态之间的关联机制，为激光-电弧复合热源焊接技术的进步奠定理论基础。

本项目将等离子体探针分析技术引入到电弧等离子体放电状态分析，研究了焊接电弧探针诊断系统的构建以及不同条件下单电弧和脉冲激光作用下电弧内部的放电状态，并进一步对Ti基非晶合金材料的脉冲激光焊接特性和焊接工艺进行了研究。通过本项目研究，主要得到以下成果：.（1）设计开发了用于焊接电弧状态分析的探针检测系统及其检测方法。采用纯钨制作探针，并接入专门设计的电路，采用伺服电机驱动探针进行弧形扫描和进退扫描方式进行测量。利用探针电流与施加电压之间的关系实现了电弧的电离区域边界位置、电位分布和电子温度、密度的分析。.（2）明确了不同参数下电弧内部的放电状态及其变化规律。对不同脉冲激光能量、电弧电流、弧长、角度条件下电弧电离区域的边界位置、空间电位、电子温度和密度变化规律的研究表明不同于电弧整体的“钟罩型”形态，电弧内部电离区域形状呈“纺锤形”，电离区域在阳极板材区域有收缩趋势。电弧电流越大，电弧电离区域宽度越大。弧长减小后电离区域宽度略有增加。激光加入后对电弧空间电位、电子温度和密度影响较大，但规律性不强，主要是由于激光脉冲产生的等离子体对电弧等离子体的巨大冲击作用，导致电弧形态和内部放电状态发生剧烈变化。适当的激光作用位置可有效起到稳定电弧放电的作用。.（3）明确了脉冲激光焊接条件下Ti基非晶合金材料的焊接特性和焊接工艺。对Ti基非晶合金材料的焊接性进行了研究，结果表明脉冲激光作用下非晶合金熔化区微观组织与母材相同，依然是非晶合金基体和弥散分布的初生纳米、微米级的β-Ti晶粒，晶粒度低于母材。脉冲激光的间断性热输入为液态合金提供极高的冷却速度，因此可以有效抑制合金在凝固过程中的晶化行为。两种Ti基非晶合金之间及Ti基非晶合金与TC4钛合金之间的对接焊工艺研究也表明了脉冲激光对两种材料焊接连接的优势，接头熔化区可形成非均匀的复合非晶组织，接头抗拉强度与非晶合金母材相当。