激光-电弧两脉冲热源复合焊的等离子体瞬态复合耦合机理研究

The performance of laser induced plasma triggering arc discharge, arc physical properties, the time- and space-resolved optical emission spectra of plasma, and arc energy of both pulsed laser and arc hybrid welding were investigated by synchronous multi-information collection system, physical conclusion and mathematical deduction methods. Then, the machanism of the transient hybrid coupling between the laser induced plasma and arc plasma amidst the application of laser-arc hybrid weding, and arc energy enhancement characteristics were revealed. The statistical model of welded section size for both pulsed laser and arc hybrid welding was established, which was on the basis of the weld pool shape, the infrared thermography image information, and the weld pool size information. Research results of this project to expand the mechanism of laser-arc hybrid welding has a certain academic value. In addition, they can be applied to the high-nitrogen austenitic steels welding, leading to meet the national requirements for high quality welding. Therefore, this technology will provide significant application value in future.

以多信息同步采集、物理归纳和数学演绎为手段，研究激光-MAG电弧两脉冲热源复合焊的激光诱导等离子体引燃MAG电弧的引弧特征、电弧物理特性、等离子体发射光谱的时间和空间分辨特征以及电弧能量的变化规律。由此揭示激光与MAG电弧两脉冲热源复合焊过程中激光等离子体与电弧等离子体的瞬态复合耦合机理和电弧能量增强机理。基于试验获得的熔池形状、红外热像图、焊缝形貌等图像信息，建立表征激光-MAG电弧两脉冲热源复合焊的焊缝截面尺寸的统计学模型，并预测焊缝成形。 本项目的研究成果对拓宽激光-电弧复合焊机理具有一定的学术价值，同时该项技术在高氮奥氏体不锈钢焊接上的应用，可满足国家对高氮奥氏体不锈钢焊接产品的高质量和大量需求，因此该技术具有重大的应用价值。

高氮钢具有良好的强韧性、耐蚀性和抗蠕变能力等优点，在造船、铁路、化工设备、医药以及海洋工程等领域获得广泛应用。然而，高氮钢能否广泛应用在一定程度上取决于焊接接头性能。熔焊时，由于氮的存在，熔池及其凝固过程中可能出现氮气孔的形成、气液界面处的氮溢出、氮化物的析出等问题造成焊缝的氮损失和接头性能下降。激光-MAG电弧两脉冲热源复合焊对改善高氮钢熔焊存在的问题具有一定优势。因此，项目开展了高氮奥氏体不锈钢脉冲激光诱导等离子体与电弧等离子的瞬态复合耦合的基本现象与规律、脉冲激光诱导等离子体与电弧等离子的相互作用机理两个方面的研究。获得了激光-电弧复合焊接过程中存在双层导电通道的现象；获得了随着热输入能量的增加，等离子体发射光谱强度增大，N元素辐射谱线强度增加的规律，并通过N元素辐射强度可以间接评估焊缝氮含量的方法；建立采用遗传算法优化BP神经网络预测模型的内部的初始权值阈值，得到激光-电弧复合焊接接头形貌的预测神经网络模型，该模型的精度能够达到15%以内；通过Matlab将红外热像仪获得的复合焊接二维温度分布云图转换为三维温度场，可以直观的反映焊接温度分布状态，基于获得的垂直焊缝方向的温度曲线，建立焊缝熔宽计算方程，计算结果与实际测量值基本一致。最终，项目揭示了激光与电弧的相互作用机制，其主要机制是激光诱导形成的等离子体在电弧电场的作用下向焊丝端部运动并形成导电通道，同时将其所带的能量转化热能传递给阳极，从而有利于焊丝熔化和电弧导电，计算表明激光诱导等离子体具有低的电阻率，电弧内的带电粒子容易集中在激光作用点处，致使复合电弧具有更高的能量密度和热穿透能力，这就是激光-电弧复合焊接技术具有稳定电弧、增大熔深的主要原因。. 上述成果的取得可应用于高品质高氮不锈钢焊接产品的制造，因此该技术具有重大的应用价值，同时对进一步丰富激光-电弧复合焊接理论体系有重要学术价值。