富氩混合气体对高功率激光焊光致等离子体的抑制机理研究

光致等离子体是高功率激光焊过程中的重要物理现象，通常采用侧吹气体的方式进行抑制，目前通常采用氦气，或氦气与少量氩气的混合气体。本申请前期试验显示：通过特殊设计的气体混配方式，40%He+60%Ar混合气体实现了稳定焊接，焊缝力学性能达到CCS船规要求。富氩混合气体侧吹具有良好的性价比，但尚缺乏科学解释和理论指导。本申请拟采用射线追踪法建立光致等离子体的高温气体动力学三维模型，在模型中考虑激光在光致等离子体中的折射现象；研究富氩二元侧吹气体条件下高功率激光焊光致等离子体的温度场、浓度场和速度场等分布；重点研究氦、氩元素在等离子体中的不均匀分布特征和运动规律的差异，使激光在入射路径上的能量损失最小化，从而在理论上解释富氩混合气体侧吹在抑制光致等离子体方面的作用机制；并在此基础上采用协方差映像技术建立光致等离子动态失稳与焊缝气孔等内部缺陷的映射图，解析富氩混合气体侧吹条件下的等离子体失稳机制。

高功率CO2激光焊过程中，光致等离子体极大地影响了激光和材料之间相互作用，并最终影响过程稳定性和接头质量。采用氦-氩混合气体代替纯氦气侧吹具有显著的经济性，试验结果也显示富氩混合气体在抑制光致等离子体方面具有潜质，因此有必要对富氩混合气体侧吹的光致等离子体特征和行为进行细致研究，解析侧吹气体与等离子体之间的交互作用。.本课题以船用低碳钢为对象，采用特殊设计的气体混配系统，实现了40%He+60%Ar混合气体侧吹下的高功率CO2激光深熔焊，焊接过程稳定，焊缝成形良好，接头力学性能满足相关标准。采用射线追踪法建立了高功率CO2激光深熔焊光致等离子体的流体动力学三维模型，考虑了光致等离子体对入射激光的折射作用，研究了富氩二元混合气体侧吹条件下光致等离子体的温度场、浓度场和速度矢量分布，指出了氦、氩元素物理化学性质的差异造成了它们在光致等离子体中的不均匀分布特征，降低了激光穿过光致等离子体时的能量损失，因此在一定工艺参数范围和适当侧吹装置条件下，高功率CO2激光深熔焊的侧吹气体中氩气的比例可以提升至50~60%，即采用富氩二元混合气体实现光致等离子体的抑制。.为了验证模拟计算结果，提出了一种新颖的光致等离子体空间结构的观察方法，通过布置在不同方向和角度的三个CCD相机同步拍摄，基于层析扫描技术完成了光致等离子体灰度值和温度场的三维重建。使用不同混配比例的氦-氩混合气体作为侧吹气体，完成了一系列不同工艺参数的高功率CO2激光深熔焊试验，观测了光致等离子体的内部结构特征，发现了等离子体内部的不均匀性。观测和计算结果表明，氩气的比例超过上限后会导致光致等离子体对入射激光能量的剧烈吸收，该比例上限与气体流量存在关联，光致等离子体对入射激光的折射作用与侧吹气体组分并没有显著关联。.研究结果表明，随着氩气比例的提升，失稳形式主要是对入射激光能量的屏蔽，主要体现为光致等离子体过度膨胀并剧烈吸收入射激光的能量，为此本课题设计了外部水冷拘束块，试验效果表明该方法可以较好地控制高功率CO2激光深熔焊时光致等离子体的膨胀，光致等离子体的中心温度和几何尺寸都得到抑制，从而提高了焊接过程的稳定性、增加了焊缝的熔深能力。本研究建立了光致等离子体在拘束条件下的三维流体动力学模型，论证了外部拘束对光致等离子体的机械压缩效应和流体压缩效应，因此可在后续研究中深入探索外部拘束提高氩气比例的可行性。