不锈钢CO2激光焊接工艺及等离子体特性研究

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激光焊接作为21世纪最先进的制造技术,广泛应用于造船、航空航天、汽车、火车制造等领域。随着现代社会的进步,围绕着节能、环保两大主题,于是对产品的安全性能和美观提出新的要求,本课题针对CO2激光焊接过程中等离子体对接头的不利影响,系统研究了等离子体的电子温度和形态。  CO2激光焊接最明显的特征是熔池上方存在一团蓝亮色的等离子体。该等离子体将部分屏蔽入射激光能量,从而减小激光与材料间的能量耦合。此外,该等离子体的周期性波动,将直接影响激光焊接过程的稳定性。因此尽可能抑制光致等离子体的产生,是实现该类新结构焊接的关键所在。本文系统研究了在惰性气体保护下等离子体的电子温度和形态,试验材料选用2mm厚的薄板不锈钢搭接焊接,使用10L/min流速的纯He保护,结果可获得优良的焊缝成形。  在惰性气体法控制等离子体的实验中,本文用高速摄像和光谱仪同步观察了等离子体的温度和形态。使用两个双凸透镜将等离子体的像缩小2倍成像光谱仪的光纤探头平面,光纤探头延长线距板面0.5mm,光谱仪的曝光时间设置为0.4us,采集波段设置为350nm~500nm。利用波尔兹曼图法算得等离子体温度随离焦量的变化类似于“U”形。  将高速摄像设置为2000帧/秒,且镜头的延长线平行于焊接板面。将与光谱同步获得的照片输入自编的软件中,测量等离子体的横截面积和高度。发现等离子体的面积和高度随离焦量的变化规律与等离子体温度随离焦量的变化规律是一致的,均成倒立的“U”形。  鉴于惰性气体属于消耗品,特别是纯He,价格较贵,因此本文探讨了外加磁场对于等离子体形态的影响。从焊接方向看,当磁场的方向向右时,等离子体的横截面积和高度均比无磁场时大,并随离焦量的变化规律与无磁场时不相同,成正立的“U”形,即零离焦时面积和高度最小,正负离焦时横截面积和高度随离焦量的增加而增加。当使用左向磁场时,等离子体的横截面积和高度均比无磁场时减小,但变化规律对离焦量的变化依然成倒立的“U”形,即两侧最大,零离焦时最小。
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