《雷射-TIG雙面對稱作用下電弧物理機制與熱傳輸特性》是依託哈爾濱工業大學，由雷正龍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：雷射-TIG雙面對稱作用下電弧物理機制與熱傳輸特性
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：雷正龍
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
雷射與電弧相互作用機理研究是目前複合焊接技術領域的研究熱點，針對同側複合焊接條件下無法描述雷射與電弧相互作用全過程，且電弧電漿呈非軸對稱分布導致光譜分析困難等特點，為了揭示複合焊接雷射與電弧相互作用的物理機制，本項目提出建立雷射與TIG電弧雙面對稱複合焊接這種新研究環境來探索雷射作用下電弧物理機制與熱傳輸特性。通過試驗和分析的手段，研究雷射對電弧物理特性作用的基本規律和物理現象；進而通過紅外熱像儀、電漿光譜測量和理論分析研究雷射作用下溫度場以及電漿成份、電子密度和溫度的空間分布規律，揭示雷射、金屬蒸氣或雷射電漿與電弧之間相互作用機理；在此基礎上建立雷射-電弧雙面焊接熱源的數學模型，分析雷射作用下電弧的熱傳輸特性。課題的研究成果將進一步豐富雷射與電弧複合熱源焊接理論體系。建立雷射-TIG雙面對稱複合焊研究環境探索雷射與電弧相互作用機理在國內外未曾見過報導。
結題摘要
雷射與電弧相互作用機理研究是目前複合焊接技術領域的研究熱點，針對常規雷射-電弧複合焊接條件下無法單獨描述雷射與電弧相互作用全過程這一問題，本項目提出了建立雷射與TIG電弧雙面對稱複合焊接這種新的研究環境，通過控制雷射焊匙孔的穿透程度，系統地分析了電弧中光致金屬電漿和雷射從無到有、從少到多的變化過程對雷射與TIG電弧對稱作用下的焊縫成形、電弧電漿形態、電弧電特性、物理特徵的影響規律，並採用光譜診斷和數值模擬計算的方法分析了雷射作用下電弧光譜特徵和電子溫度、密度分布規律及其溫度場特徵，進而闡釋了雷射作用下電弧弧柱收縮、弧根壓縮和電弧膨脹的物理本質，進一步豐富了雷射與電弧複合熱源焊接的理論體系。通過研究取得了如下成果： 1、雷射-TIG電弧雙側作用下，隨著雷射功率的增大，電弧逐漸出現三種典型的形態：弧柱收縮、弧根壓縮，弧柱膨脹；分別對應了匙孔未穿透、匙孔少量穿透以及匙孔大量穿透三種熔透模式； 2、匙孔未穿透時，電弧中無光致金屬電漿穿透進入，電弧光譜特徵與純電弧無明顯差異，電弧弧柱發生收縮，電弧的穩定性增強；雷射以體熱源形式在工件背面進行預熱形成溫度梯度大的熱斑點是電弧弧柱收縮、電弧穩定的根本原因；導致弧柱收縮的熱斑點溫度梯度達到70K/mm以上。 3、匙孔少量穿透時，電弧根部聚集少量光致金屬電漿時，其Al、Mg譜線增強，Ar譜線則減弱；弧根處電子密度比純電弧增加了約2.4倍，電子溫度卻比純電弧降低了約3000K。弧根處形成的光致金屬電漿聚集區為電弧提供更加容易的導電通道，是電弧弧根壓縮的本質原因; 4、匙孔大量穿透時，電弧弧柱膨脹，金屬譜線和Ar譜線強度都很高，此時光致金屬電漿擴散至整個弧柱，是導致電弧弧柱膨脹的主要原因；弧根電子密度由純TIG電弧時的2.95×1016cm-3下降至1.92×1016cm-3，電子溫度與純電弧差異不大； 5、建立了雷射-TIG雙面焊的動態熱源模型，採用有限元方法模擬了雙面焊熔池形成過程和溫度場分布特徵，揭示了雷射作用下電弧焊熔池內部的熱傳輸機制。
