YAG激光－MIG电弧复合焊热源相互作用及熔滴过渡研究

论文摘要

激光-电弧复合焊是在20世纪70年代末由英国伦敦帝国大学的W.Steen提出的一种新的焊接方法。这种焊接工艺综合了激光焊和电弧焊这两种焊接方法的优点,又弥补了各自的不足,具有广泛的应用前景。目前世界各国的研究者对激光-电弧复合焊做了大量的研究,但是对复合焊中热源的相互作用和熔滴过渡方面的研究还比较少,因此有必要对此做深入的研究。激光和电弧是两种物理特性完全不同的热源,具有各自的特点。当两种热源同时作用在焊接位置时,不是简单的叠加作用,而是会发生相互作用。由于这种相互作用的过程非常复杂,因此对其作用机理的详细研究非常困难,目前仍有很多问题需要去研究。在激光-电弧复合焊过程中,熔滴过渡关系到焊接质量的好坏和焊接过程的稳定,激光的加入改变了电弧力场、电磁场、熔池温度场以及表面张力场等,这使得激光-电弧复合焊中熔滴过渡发生了变化,因此有必要对激光-电弧复合焊的熔滴过渡过程进行研究。本文搭建了YAG激光-脉冲MIG电弧复合焊接试验系统,进行了焊接试验并同步采集了焊接过程中电信号和高速摄像信号。通过分析发现激光对脉冲MIG电弧具有明显的吸引、压缩和膨胀作用。这主要是因为YAG激光作用在工件上会产生大量金属蒸汽和少量等离子体,改变了电弧等离子体的形貌和状态,这也会影响到电弧和焊接过程的稳定。通过对复合焊接过程中的熔滴进行受力分析可知,激光改变了电弧力的大小和方向,激光产生的金属蒸汽对熔滴产生了反冲力阻碍了熔滴过渡,电弧等离子体会吸收穿过电弧的激光的能量,激光产生的金属蒸汽对熔滴也有热辐射的作用,会促进熔滴的过渡,复合焊的熔滴过渡是在这种综合的作用下的结果。本文分别对脉冲MIG和直流MIG的熔滴过渡进行了分析,对于一脉一滴,激光的加入降低了熔滴的过渡频率变为两脉一滴;对于一脉多滴,激光的加入增加了焊丝的熔化量,促进了熔滴过渡并使得熔滴过渡的颗粒半径减小;对于直流MIG焊射滴过渡,加入激光后熔滴过渡稳定,熔滴颗粒变得更加细小,形状不规则,这可能是金属蒸汽的反作用力将熔滴打碎的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 激光焊及其特点
• 1.1.2 激光－电弧复合焊概述
• 1.1.3 激光－电弧复合焊的优点
• 1.2 激光－MIG 电弧复合焊的研究现状
• 1.2.1 激光－电弧复合焊接工艺及应用的研究
• 1.2.2 激光－MIG 电弧复合焊接机理的研究
• 1.2.3 激光－MIG 电弧复合焊熔滴过渡的研究
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第二章 激光－电弧复合焊试验设备
• 2.1 激光－电弧复合焊设备
• 2.1.1 弧焊电源
• 2.1.2 脉冲控制器
• 2.1.3 激光器
• 2.1.4 激光－电弧复合焊焊接机头
• 2.2 信号采集设备
• 2.2.1 高速摄像系统
• 2.2.2 电流电压传感器
• 2.2.3 数据采集卡
• 2.3 其它焊接设备
• 2.4 本章小结
• 第三章 激光－电弧复合焊试验
• 3.1 激光－电弧复合焊试验系统
• 3.2 焊接试验
• 3.2.1 试验条件
• 3.2.2 试验方案
• 3.2.3 试验参数
• 3.3 脉冲焊电信号与高速摄像信号的同步分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验数据及分析
• 4.1 单激光焊接高速摄像分析
• 4.2 激光对脉冲MIG 电弧的影响行为研究
• 4.2.1 激光对电弧的吸引
• 4.2.2 激光对电弧的压缩作用
• 4.2.3 激光对电弧的膨胀作用
• 4.3 激光－电弧复合焊熔滴的受力分析
• 4.4 YAG 激光－脉冲MIG 复合焊熔滴过渡分析
• 4.4.1 脉冲MIG 一脉一滴试验的熔滴过渡分析
• 4.4.2 脉冲MIG 一脉多滴试验的熔滴过渡分析
• 4.5 YAG 激光－直流MIG 电弧复合焊熔滴过渡分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢