激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究

论文摘要

本文先介绍了激光深熔焊接的机理,从小孔形状、尺寸、温度、等离子体等方面分析了国内外对激光深熔焊接过程中小孔效应研究的现状及现有研究存在的问题,然后对国内外对激光焊接过程中材料合金元素的烧蚀损失的研究做了介绍。本文在对国内外小孔效应以及合金元素烧损的研究进行分析后针对现有研究存在的缺陷,设计出一种新颖的试验方法,从小孔形状尺寸、孔内等离子体特性等方面对小孔效应进行综合试验研究。首先用普通摄像机实际拍摄了激光深熔焊接6016铝合金过程中的小孔形貌,利用像素分析法结合曲线拟合技术对小孔形貌进行数学还原。然后利用光谱学观测手段综合研究了小孔内等离子体的光谱信号特征及其随激光模式、激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数的变化情况。接着采用经典理论建立了激光焊接过程中孔内等离子体沿深度方向与径向方向的传热模型,经过估算发现孔内等离子体在径向方向上的传热速率远远大于在深度方向上的传热速率,因此,在简单计算时可以忽略等离子体沿深度方向上的热传递,同时给出了简化计算孔内等离子体温度的解析式并采用有限差分法计算了孔内等离子体以外的熔池的温度场。另一方面对于光谱学实验数据,利用相对强度法计算了孔内等离子体的温度,并得出孔内等离子体温度在连续激光与脉冲激光下沿小孔深度方向与径向方向的温度分布,还比较分析了激光模式、激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数对孔内等离子体温度的影响。本文最后采用Knudsen-Langmuir理论建立了激光焊接过程中的合金元素烧损理论模型,计算出激光深熔焊接过程中合金元素烧蚀损失的速率并与实验测量进行了比较,计算与实验结果比较吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光深熔焊接机理概述
• 1.3 国内外对小孔效应的研究现状及其存在的主要问题
• 1.3.1 小孔形状的研究
• 1.3.2 等离子体的研究
• 1.3.3 孔内等离子体辐射光谱的研究
• 1.4 国内外对合金元素烧损的研究及其存在的主要问题
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 激光深熔焊接过程中小孔形状直接观测试验研究
• 2.1 小孔的实际形状观测实验设计
• 2.1.1 实验方案
• 2.1.2 实验设备与实验条件
• 2.1.2.1 光源和激光器
• 2.1.2.2 实验机床
• 2.1.2.3 GG17 玻璃
• 2.1.2.4 焊接材料
• 2.1.2.5 摄像机
• 2.1.3 实验过程
• 2.2 小孔的实际形状观测结果及处理
• 2.3 本章小结
• 第3章 激光深熔焊接孔内等离子体辐射光谱试验研究
• 3.1 等离子体的光谱诊断方法概述
• 3.2 实验方案
• 3.3 实验设备
• 3.4 实验过程
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 孔内等离子体径向与深度方向上光谱信号情况
• 3.5.2 激光功率对光谱信号强度的影响
• 3.5.3 焊接速度对光谱信号强度的影响
• 3.5.4 焦点位置对光谱信号强度的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 小孔内等离子体温度场研究
• 4.1 等离子体温度模型
• 4.2 热传导偏微分方程解法介绍
• 4.2.1 有限差分方法（Finite Difference Method,FDM）
• 4.2.2 有限元方法（Finite Element Method,FEM）
• 4.2.3 有限体积法（Finite Volume Method,FVM）
• 4.2.4 各种方法比较
• 4.3 模型的数值求解
• 4.3.1 方程的离散与边界条件
• 4.3.1.1 方程的整理与变换
• 4.3.1.2 计算区域的确定与网格的划分
• 4.3.1.3 差分方程的建立
• 4.3.1.4 边界条件
• 4.3.1.5 物性参数的处理
• 4.3.1.6 计算流程的确定与程序的编写
• 4.3.2 求解结果
• 4.3.2.1 孔内等离子体的温度分布
• 4.3.2.2 等离子体外熔池的温度分布
• 4.4 激光深熔焊接小孔内等离子体温度计算方法
• 4.4.1 等离子体的局域热力学平衡态
• 4.4.2 相对强度法
• 4.4.3 本文选取的谱线及相关参数
• 4.5 小孔内等离子体温度分布
• 4.5.1 小孔径向等离子体温度分布
• 4.5.2 小孔深度方向等离子体温度分布
• 4.5.3 激光功率对等离子体温度的影响
• 4.5.4 焊接速度对等离子体温度的影响
• 4.5.5 离焦量对等离子体温度的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 激光深熔焊接过程中合金元素烧损研究
• 5.1 激光深熔焊接过程中的元素烧损理论
• 5.1.1 Knudsen- Langmuir 理论
• 5.1.2 小孔内的蒸发流
• 5.1.3 蒸发率和成分变化
• 5.2 合金元素烧损的试验研究
• 5.2.1 实验设备
• 5.2.2 试件的制备
• 5.2.3 实验方法与结果
• 5.3 激光深熔焊接过程中合金元素烧损与辐射光谱关系
• 5.4 本章小结
• 结论及展望
• 1、本文的研究内容
• 2、展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 孔外熔池附近温度场数值求解部分程序
• 致谢