（机械制造及其自动化专业论文）激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 激光深熔焊接是大功率激光焊接金属材料得以广泛应用的基础。小孔效应是 深熔焊接中的特征现象。与此同时，深熔焊接时在工件表面和孔内都存在着高密 度的等离子体。等离子体与激光能量的相互作用关系是激光与物质相互作用机理 的重要内容之一。 等离子体温度是等离子体物性参数中最重要的一个。其它的物性参数在一定 条件下总可以写为等离子体温度的函数。但是一直以来由于试验方法的限制，科 技作者主要集中在小孔外等离子体温度的测量上，对小孔内部等离子体的温度研 究较少。本文利用新的试验方法和自制试验装置首次试验研究了激光深熔焊接孔 内等离子体的温度情况。论文工作主要有以下几个方面： 首先确定试验方案。经过考察研究并借鉴国内外研究成果的基础上，确定采 用模拟焊接试验来研究孔内等离子体温度。论文吸取“三明治”的思想，在两块 透明的玻璃之间夹持一定厚度的铝膜，来模拟研究实际豹铝及其铝合金焊接中的 等离子体。经过分析考察，选择具有优良性能的g g l 7 作为试验用夹持材料；采 用0 2 m m 和0 0 2 r a m 厚度的铝膜作为焊接材料。试验为了不干扰等离子体的物理 场，本文采用光谱分析间接测量温度法。同时经过大量的试验，选择二价的铝谱 线作为计算用的谱线。 其次自行设计开发了实用的光学多道分析系统，并在硬件的基础上开发了相 应的软件。光学多道分析仪是光谱测量的一个主要工具。目前的许多产品类型已 经比较的多。但是大多只能对稳定光源进行测量，对于动态过程则反映较慢。论 文前期的工作主要集中于试验用光谱分析仪的设计研究上。在现有试验条件基础 上设计的棱镜光谱分析系统理论分辨率分布达到纳米数量级，基本满足了试验的 要求。 最后，利用光谱分析法中的相对光强法研究了不锈钢工件表面等离予体的温 度与工艺参数之间的关系。试验测定不锈钢工件表面等离子体温度在7 0 0 0 k 到8 0 0 0 k 之间。同时论文主要研究了深熔焊接中孔内等离子体温度以及不同工艺条件 下等离子体温度。论文首次利用光谱分析法测量到孔内等离子体的光谱，并计算 得到在文中所选工艺条件下等离子体的温度在2 0 0 0 0 k 以上。另外论文研究了不 同工艺条件与等离子体温度、焊接熔深和焊缝宽度的定性关系。 另外论文中利用高速数码相机拍摄了激光深熔焊接小孔以及等离子体的动态 变化过程，分析讨论了小孔振荡与等离子体密度变化的关系。利用自制装置结合 几何光学的知识，试验估算了等离子体的空间尺度。其空间轴向尺度在1 3 r a m 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 之间。 关键词：光谱分析法；激光深熔焊接；等离子体；光学多遒分析仪：g g 7 玻璃 1 l 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n gi st h eb a s eo fe x t e n s i v eu t i l i z a t i o nf o rt h e h i g h - l a s e rw e l d i n go fm e t a lm a t e r i a l s a n d t h e k e y h o l ei s c h a r a c t e r i s t i c so fd e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g t h ep l a s m ao f t h eh i g hd e n s i t ya l w a y se x i s t sa b o v ew o r k p i e c ea n di nt h ek e y h o l e ，s ot h a tt h ei n t e r a c t i o nr e l a t i o nb e t w e e np l a s m aa n dl a s e r e n e r g yi so n eo fi m p o r t a n ts t u d i e so f t h el a s e ra n dm a t e r i a li n t e r a c t i o nm e c h a n i s m t h ep l a s m at e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n to n ei np l a s m ap a r a m e t e r sw h i l e o t h e r sc a na l w a y sb ed e s c r i b e db yt h ef u n c t i o no fp l a s m at e m p e r a t u r eu n d e rc e r t a i n c o n d i t i o n t h e nt h ea u t h o rl a u n c h e st h er e s e a r c ha b o u ts i m u l a t e de x p e r i m e n t a t i o n r e s u l tf o rt h ep l a s m at e m p e r a t u r e t h ef o r m e rw o r k e r sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h e m e a s u r e m e n to f d e n s i t ya n dt e m p e r a t u r eo fp l a s m ao u t s i d e t h ek e y h o l eb e c a u s eo ft h e l i m i t so f e x p e r i m e n t a t i o nm e t h o d s ，b u tt h o u g h tl e s sa b o u t t h ep a r a m e t e ro ft h ep l a s m a i n s i d et h ek e y h o l e an e w e x p e r i m e n t a lm e t h o da n d t h ei n s t r u m e n tm a d eb yo n e s e l fi s u t i l i z e dt oi n v e s t i g a t et h et e m p e r a t u r ei n s i d et h ek e y h o l ei nt h i st h e s i sf o rt h ef i r s t t i m e s ot h i si sd e c i d e dt h es t u d i e s f i r s t l y , d e s i g n i n g t h e e x p e r i m e n t a t i o n s c h e m e i ti sd e t e r m i n e dt o a d o p t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o nt os t u d yt h ep l a s m at e m p e r a t u r ei n s i d et h ek e y h o l eo nt h e b a s eo f s t u d y i n gt h ea c h i e v e m e n t a th o m ea n da b r o a d t h ea u t h o rd r a w st h et h o u g h t o p s a n d w i c h ”，t h a ti sg r a s p i n gt h ea l u m i n u mf i l mo fc e r t a i nt h i c k n e s sb e t w e e nt w o p i e c e so ft r a n s p a r e n tg l a s s e s o g17g l a s sw a su s e dt og r a s pa l u m i n u mf i l mt h a ti s o n l y0 2m m f o r t h es a k eo fn o ti n t e r f e r i n gw i t ht h ep l a s m a p h y s i c sf i e l d ，t h er e l a t i v e s p e c t r a la n a l y s i sw a su s e dt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r e t h es p e c t r a ll i n eo f a i l lw a s c h o s e n s e c o n d l y , o p t i c a lm u l t i c h a n n e la n a l y z e rs y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db y o n e s e l fa n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ei sp r o g r a m m e do nt h eb a s i so fh a r d w a r e t h e n 0 p t i c a bm u l t i - c h a n n e l a n a l y z e r i sak i n d o fm a i nt o o lf o rt h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t al o to f p r e s e n tp r o d u c t sh a v ea l r e a d yb e e np r e s e n t e d ，b u tm o s t o ft h e m c a no n l yd om e a s u r e m e n tf o rt h es t a b l el i g h ts o u r c e s t h er e s p o n d i n gt i m et ot h e d y n a m i cm o t i o n i sr e l a t i v e l ys l o w i ne a r l i e rs t a g eo ft h et h e s i s ，t h ea u t h o rc o n c e n t r a t e o no p t i c a lm u l t i c h a n n e l a n a l y z e rd e s i g n f o r e x p e r i m e n t a lr e q u e s tm a i n l y t h i s o p t i c a li n s t r u m e n t i ss oa c c u r a t et h a ti t sr e s o l u t i o nr a t i o nc o m e st oa m l e v e l s o ，i ti s s a t i s f i e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a t i o nr e q u e s tb a s i c a l l y 1 i l 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 a tl a s t i ti sw e l ls t u d i e dt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et e e h n i c a lp a r a m e t e r sa n d t e m p e r a t u r eb y t h e r e l a t i v e s p e c t r u m m e t h o d t h ep l a s m at e m p e r a t u r eo v e rt h e s t a i n l e s ss t e e lw o r kp i e c ei sf r o m7 0 0 0 kt o8 0 0 0 k a tt h es a m et i m e s t h er e l a t i o no f t h ep l a s m at e m p e r a t u r ea n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e ri sa l s oi n v e s t i g a t e d t h ep l a s m a s p e c t r u mo fa l u m i n u mw o r kp i e c e i n s i d et h ek e y h o l ei so b s e r v e d f i r s t l y a n dt h e t e m p e r a t u r e i s c o m p u t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e p l a s m at e m p e r a t u r e i so v e r 2 0 0 0 0 ku n d e rt h es p e c i f i e dc o n d i t i o n so ft h et h e s i s i na d d i t i o nt h a tt h er e l a t i o ni n d i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n sa n dq u a l i t yo fw e l ds u c ha sw e l db r e a d t ha n dw e l dd e p t h i sa l s oa n a l y z e d t h ea u t h o ru t i l i z e st h ed i g i t a lc a m e r ao f h i g hs p e e d t os h o tt h ed y n a m i cc o u r s eo f t h ed e e pp e n e t r a t i o nw e l d ，a n da n a l y z e dt h el i n k sb e t w e e np l a s m ad e n s i t ya n dt h e k e y h o l ed y n a m i c s a d d i t i o n a l l ym a k i n g u s eo ft h ek n o w l e d g eo p t i c sa n dt h es p e c t r a l d e v i c et om e a s u r et h es c a l eo ft h ep l a s m a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h e p l a s m as c a l ei s1 - 3 m m k e yw o r d s ：s p e c t r o m e t e rm e t h o d ；d e e pp e n e t r a t i o n l a s e rw e l d ：p l a s m a ； o p t i c a l m u l t i c h a n n e la n a l y z e r ；g g l7g l a s s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 弓瓷刚 日期：c 年年3 月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 亏 刚 日期：( 华年弓月r 日 导师签名：弓矿l 切 日期：。，年，月一日 硕士学位论文 第1 章绪论 激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。近四 十年来，它已经广泛应用于工业生产、科学研究、国防建设、社会文化等各个领 域，对国民经济、国防实力及社会文化的进步及发展做出了卓越的贡献【卜”。由 于激光具有方向性好、能量密度高、单色性好和相干性强【5 ，6 】等一系列优点，自 6 0 年代初问世以来，就开始应用于焊接技术，并t 且发展迅速，取得了可喜的成绩。 与此同时人们对激光焊接的机理认识也越来越深入，特别是高功率c 0 2 激光器的 发展，使得激光深熔焊接成为可能。当激光捍接金属材料时，在形成小孔的同时 必然产生了大量的高电子密度的等离子体。小孔效应和光致等离子体的存在使得 激光与材料相互作用的过程变得丰富多彩( 如图1 1 ) 。目前，人们对激光焊接的 研究也主要是集中在深熔焊接小孔效应以及随之伴随的光致等离子体的研究上。 图1 ，激光深熔焊接激光能量的吸收过程 1 1 激光深熔焊接的特点 在激光焊接过程中，当激光功率密度达到1 0 6 1 0 7 w l c m 2 时，由于材料的瞬时熔 化与汽化，会形成一个“匙孔”即所谓的焊接“小孔”。激光可以透过匙孔中的金 属蒸汽而直射孔底，焊缝深宽比可达到( 1 2 ：1 1 ( d e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g ) 【7 1 ，并 且焊接过程中伴随着高电子密度和高发射光强的光致等离子体( 见图1 2 ) 。小孔 效应和光致等离子体的产生是激光深熔焊接的主要特征。激光光束能量分布的特 点以及深熔焊接中小孔效应使得激光深熔焊与传统的焊接技术工艺相比较而言， 具有明显的优势【”： 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 l a s s e h e e z a n 嘣蛐口n 图1 2 激光焊接中的小孔效应及等离子体吸收 ( 1 ) 激光束可以聚焦，提高功率密度； ( 2 ) 激光束没有惯性，可以迅速开始与停止： ( 3 ) 焊缝深宽比大，焊件的热变形很小； ( 4 ) 可以进行精密焊接； ( 5 ) 焊接不需要真空环境，不产生x 射线； ( 6 ) 焊件无须刚性夹紧： ( 7 ) 可以得到无污染无杂质焊缝； ( 8 ) 热影响区较小； ( 9 ) 可以高速焊接、易于实现自动化。 基于上述的特点，所以在工业中得到了广泛的应用，特别适合于焊接精密部 件、热敏感部件以及高强度部件的焊接。表1 1 为几种焊接方法功率密度对比情 况。高功率低阶模激光束经过聚焦后，其功率密度比电弧焊高出几个数量级。这 样高的能量密度必然伴随着焊接小孔的成形。然而再以更高功率密度焊接时，如深 熔焊中激光束焦点处的功率密度达到1 0 7 w c m 2 以上，这时金属会很快蒸发电离并 产生蓝色等离子体。目前，各国激光焊接工作者普遍认为，作为悬浮于金属工件表 面的高温高密度等离子体，将会吸收、散射、反射激光能量，降低激光柬的辐射能 量和穿透能力，使可用于焊接的有效能量降低，导致焊接速度降低，严重影响熔深， 并出现各种焊接缺陷。但对于孔内的等离子体由于研究方法的限制，对其研究不 多。其对焊接过程的影响至今不是很明晰，一般认为它是有利于焊接过程的。 硕士学位论文 表1 1 主要焊接方法功率密度对比【5 1 焊接方法电弧焊等离子体焊激光或电子束焊 功率密度( w c m 2 )5 1 0 2 1 0 45 1 0 2 1 0 61 0 6 1 0 8 1 2 激光深熔焊接小孔的形成机理 当激光辐照金属表面时，由于其表面尤其是熔池表面对激光具有极高的反射 率，在七十年代以前，基于热传导形成熔池，用于大厚板的激光焊接被认为是不 可能的。直到1 9 7 1 年，随着大功率c 0 2 激光器的应用，发现了激光焊接过程中 也有类似于等离子电弧和电子束焊接过程中出现的小孔现象( 如图1 2 ) 。由此，基 于小孔效应的激光深熔焊接机理才逐渐被揭示出来【9 “”。 激光焊接一般是以两种模式进行的：即激光热传导焊接和激光深熔焊接。在 热传导焊接模式中，( 其激光功率密度小于1 0 唧c 2 ) ，激光能量是在工件表面为 金属材料所吸收，然后通过热传导以熔融金属对流的形式把能量传向工件内部， 使熔化区不断扩大而形成焊缝。在热传导的过程中，材料主要是被熔化，而不发 生明显的汽化；所得焊缝熔深较小，而焊缝宽度相对较大。相反，在激光深熔焊 接过程中，高能量的激光束被聚焦成点：功率密度得以大大提高。工件表面被迅 速加热升温，熔化并剧烈汽化。金属蒸汽使液体金属表面向下凹陷，形成凹坑， 激光束直射到凹坑底部，产生新的蒸发，同时一部分熔融的金属又被巨大的蒸汽 压力抛向小孔的后壁，进一步加深凹坑，直到最后形成小孔。事实上，两种焊接 模式的转换主要取决于激光功率密度的大小。图1 3 定性地反映了不同功率密度 条件下材料表面和内部所发生的物理变化。 当激光功率密度较低时( 功率密度i 1 0 4 w c m 2 ) ，金属表面所吸收的激光能量 使得材料由表及里温度升高，但维持固相不变。此时，金属对激光的吸收主要取 决于波长和材料的特征等因素。 随着激光功率密度的提高( 功率密度i 提高到1 0 5w c m x 一1 0 6w c m 2 ) ，在激 光功率到达形成焊接小孔的阈值时，材料表面开始熔化，局部区域发生轻微蒸发； 材料对激光的吸收率有一定程度的提高。在此状态下进行的激光焊接为热传导焊 接。激光深入金属材料的厚度，只限于材料表面以下1 0 - 5 c m 。”，因而激光对金属 的加热，可以看作是一表面热源。在材料表层，光能变为热能。 当激光功率密度提高到1 0 6 w c m 2 ，材料表面发生汽化。在较大的气体膨胀压 力下，产生了小孔，并被熔池包围。材料表面附近的汽化物微弱电离形成等离子 体，这时的等离子体有助于对激光能量的吸收。当激光功率进一步提高时，激光 辐射使材料强烈汽化，并使得金属蒸汽和周围气体发生较高程度的电离，形成致 密的光致等离子体。当等离子体上浮至工件表面以上时，将阻隔激光对材料的辐 3 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 图1 3 激光功率与焊接过程物质形态变化的关系 射。此时，由于等离子体对激光能量的屏蔽作用使得小孔内的蒸汽减少，而熔融 金属增多，最终导致小孔的闭合。就金属材料对激光的吸收而言，小孔的出现是 一个分界线。在出现小孔之前，无论材料表面处于固相还是液相，其对激光能量 的吸收率仅随表面温度的升高而有较慢的变化；材料的吸收率将不再仅与激光波 长、金属特性和材料表面状态有关，而主要决定于等离子体与激光相互作用和小 孔效应等因素。小孔效应对激光能量的吸收机制至今不很明了。研究表明可能有 两种机制在作用：一是小孔内部激光与等离子体相互作用下的逆韧致辐射吸收， 另一种是因为激光在小孑l 壁上多次反射导致的菲涅尔吸收。金湘中博士曾系统的 研究了小孔效应中菲涅尔吸收对激光能量分布的影响。对于小孔内光致等离子体 的逆韧致辐射吸收至今研究不多。特别是光致等离子体对激光能量的两重性，使 得激光与材料的相互作用的机理比较复杂。 1 3 激光深熔焊接光致等离子体变化过程及其控制 在1 2 节中，小孔的开合与等离子体的浓度变化有着极其密切的关系。研究 表明卜”】激光深熔焊接必定伴随着等离子体的出现。特别是当等离子体比较强 时，激光辐射到金属工件上的能量严重地受到等离子体的屏蔽作用，就会使激光 焊接过程中的热效率大大降低，而且焊接的焊缝增大，深度变窄。 ( 1 ) 当激光功率较小1 0 6 w c m 2 时，产生的等离子体是稀疏的，它依附于工件 表面，对于激光束是近似透明的。 ( 2 ) 当激光束功率密度处于1 0 6 1 0 7 w l c m 2 范围时，等离子体明显增强，表现出 对激光束的吸收、反射和折射作用。这种情况下等离子体向工件上方和周围扩展 较强，在工件上方形成稳定的近似球形的云团。 ( 3 ) 当功率密度进一步提高达到1 0 7 w c m 2 以上时，等离子体强度和空间位置 呈周期性变化，如图1 4 所示。 ( a ) 激光作用于工件表面初期，工件金属蒸发量小，熔深浅，等离子体较弱， 依附于工件表面，见图1 4 ( a ) ； ( b ) 强激光束继续辐照工件，使金属大量蒸发汽化，迅速形成焊接小孔。随 4 硕士学位论文 熔深的增加形成较强等离子云团，见图1 4 ( b ) ； ( c ) 这些等离子体继续受强光束照射，温度继续升高，原子大量电离，自由 电子密度和温度增强，等离子体对激光的吸收、反射和折射作用强烈，以至于能 够穿过等离子云团而到达工件的激光能量大大减少，焊接小孔内金属蒸发量减少， 因此等离子体逐渐向上运动，离开工件表面而悬浮于工件上方一定距离，见图 1 4 ( c ) ； ( d ) 焊接小孑l 缩小，等离子体温度逐渐下降，悬浮的等离子体云逐濒消失， 从而又有足够的激光能量到达工件表面，又重新开始正常的焊接过程，见图1 4 ( d ) 。 笺丛兰莒 a ) 弱等离子体阶段b ) 较强等离子体阶段c ) 激光屏蔽阶段d ) 焊接停止阶段 图1 4 强等离子体空间分布示意图 文献 1 6 通过特定的试验装置研究了激光深熔焊接中等离子体对小孔深度及 其宽度的影响( 如图1 5 ) 。由照片可以看到，随着金属夹层厚度的增加，小孔深 度逐渐减小。这是因为不加金属夹层时，在激光深熔焊接玻璃时，小孔内不存在 光致等离子体，此时小孔深度较大；加上金属夹层后，夹层金属材料在激光的作 用下发生电离而形成等离子体，阻碍了材料对激光的吸收，并且随着金属夹层厚 度的增加，小孔内光致等离子体的浓度逐渐增高，等离子体逐渐升腾，对激光的 阻隔作用逐渐增强，所以小孑l 深度逐渐减小。 由图1 5 还可以看出：随着金属夹层厚度的增大，不仅小孔深度逐渐减小， 而且工件表面处的小孔直径逐渐增大。这是因为随着金属夹层厚度的增大，小孔 内金属对等离子体的浓度增大，对激光的逆韧致辐射吸收作用加强，等离子体相 图1 5 小孔深宽比随等离子体密度变化情况 当于一个高温热源，并且随着等离子体的向上升腾，这一高温热源的位置逐渐上 移，所以工件表面处的小孔直径逐渐增大。 5 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 由此可以看出，焊接产生的等离子体不仅影响焊缝的深度，而且还增大了焊 接的热影响区域，降低焊缝的焊接质量。因此，激光深熔焊接中孔内等离子体的 物性参数的研究对于焊接过程是非常重要的。为了减小或消除等离子体对激光能 量的干扰，人们根据焊接过程中影响光致等离子体的因素，采取了各种的控制手 段。其中主要的有： ( 1 ) l s s w 法一激光加工头沿焊接方向来回摆动使激光束避开等离子体； ( 2 ) 脉冲激光焊接法一调整激光的脉冲和频率，使激光的发射和等离子体的 消散同步，从而减小等离子体的影响； ( 3 ) 真空焊接法： ( 4 ) 侧吹辅助气体法： 在众多控制方法中，通过气流控制等离子体相对灵活而简单。因此侧吹辅助 气是目前激光深熔焊接中广泛采用的一种方法。但是对气体流量的控制要求很严 格。气流过小，无法抑制等离子体的升腾：气流过大，又会使焊接熔池宽度加大。 如何更好的抑制等离子体是目前焊接科技工作者的一个难题。 1 4 激光焊接中等离子体的信号特征及其诊断方法 对于激光深熔焊接中产生的等离子体，人们最关注的是其等离子体的温度和 电子密度。等离子体的其它物性参数总可以写为等离子体电子密度和等离子体温 度的函数。因此人们采取各种方法来监测等离子体的密度和温度变化来监测焊接 过程。 激光焊接等离子体产生与维持过程中伴随有强烈的特征信号，归结为声音冲 击波、强烈蓝光辐射、高温强热、非平衡电场等。各种特征信号在时间上、频率 和幅值上均密切相关，而等离子体振荡贯穿于所有信号之中。这些信号从不同的 角度直接或间接地反映了等离子体的某些特征，通过它们可以对等离子体进行检 测与诊断，从而获得等离子体的相关信息。 1 声音信号法 激光与材料相互作用时，当激光功率密度超过一定阈值后，材料表面即开始 产生稳定而稀薄的等离予体，称之为激光维持的燃烧波，其直观的特征信号为浅 蓝色及高频咝咝声。当激光功率密度继续增加到某程度时，等离子体发出强烈蓝 光和声音冲击波，称之为激光维持的爆发波。其检测方法是采用声音传感器。文 献【1 7 通过对o 7 s m m 厚的镀锌板的研究发现深熔焊接时声谱在高频带( 1 0 2 0 k h z ) 与未产生小孔时声谱相差较大。同时运用小波分析的方法，提取出了焊 接过程声音信号的波动曲线。 2 光信号法 该方法是目前使用较多的一种测量方法。由于等离子体的内部存在着各种各 6 硕士学位论文 样复杂的运动，其电磁波辐射十分丰富，而且与等离子体内部运动状态密切相关， 所以利用其辐射特性来对等离子体进行研究已成为一种被广泛采用的方法。根据 研究手段的不同，该方法又可分为以下三种； ( 1 ) 光谱分析法。等离子体产生的辐射有热电子辐射、逆韧致辐射和光电子 辐射。其中热电子辐射、逆韧致辐射产生连续光谱，光电子产生线光谱，主要分 布在可见蓝光范围内。通过测定谱线的绝对强度、相对强度和轮廓，可以确定等 离子体中的电子密度、电子温度等。 ( 2 ) 干涉、衍射法。近代激光技术的发展，特别是激光作为相干光源所具有 的高单色性和高光强的特性，为等离子体的诊断带来了更广阔的前景，如全息干 涉法、阴影法、纹影法、激光散斑照相法等。这些方法的特点是信息量大、灵敏 度高，并且是非接触测量，对等离子体的影响较小。 ( 3 ) 直接成像法。在许多情况下，等离子体在可见光范围内辐射的电磁波有 足够的光强，因此可以用照相技术来记录其光辐射。利用所拍摄的等离子体照片 结合计算机图象处理技术，可以定性确定等离子体照片上二维温度分布概况【l 8 1 。 此外，还有微波法、探针法、激光全息法、软x 射线等e 坶j 。结合试验的特殊 要求，本文是利用光谱分析的方法求解等离子体的温度。 1 5 光谱分析法测量等离子体温度研究的现状 光谱分析法利用材料在激光辐照下能级跃迁后发射出的光波测量等离子体温 度和电子密度。同时通过发射的光谱监测焊接过程中的缺陷。与其它方法相比而 言，光谱分析可以在不干扰等离子体原始态的情况下测量等离子体的参数。 文献 2 0 中作者通过用闪光灯泵浦的燃科激光器辐射铝靶，在输入激光功率 密度从产生等离子体的阈值到5 1 0 7 w c m 2 范围内，利用a l i i 发射的1 8 0 7 6 0 n m 的光波，通过相对光强法，绘制了玻尔兹曼曲线图，求解曲线斜率得到了等离子 体在工件表面1 2 7 m m 处的温度为8 0 0 0 k 。应用s t a r k 展宽机制计算了等离子体电 子密度为3 0 1 0 “c m 一。 文献【2 1 】中，z s z y m d n s k i c e 利用2 k w 连续c 0 2 激光器聚焦辐射不锈钢和钛 合金。测量出了工件表面以上等离子体的光谱线，借助光谱技术得到等离子体的 温度和密度的空间分布。并比较了不同的保护气体( h e 和a r 气) 、不同的气体流 量( 4 0 1 r a i n 和1 5 1 m i n ) 对温度和密度的影响。 苏彦东【2 2 】博士利用图( 1 6 ) 所示的试验装置，采用m l 一1 0 8 型横流多模c 0 2 激光器，焊接1 3 0 r a m x 6 0 r a m 8 r a m 的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢。通过光谱分析的方法 研究了激光焊接光致等离子体温度和密度与激光焊接熔深的关系。试验结果表明 光致等离子体粒子密度是影响焊接熔深的重要因素之一。光致等离子体粒子密度 较低时( 电子密度小于1 0 ”c m 3 ) ，焊接熔深随着等离子体密度的增大而增大，当 7 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 姻 l g 嗣 = k t j- a t i 1 箍 光谱仪 ；藤 图1 6 焊接等离子体温度测量的试验装置 s 1 一入射狭缝；s 2 一出射狭缝；g 1 一反射镜：g 2 一二级色散光栅；g 3 - 级色散光栅。 等离子体粒子密度进一步增大( 电子密度大于1 5 1 0 1 6 c m 3 ) ，由于等离子 体严重地屏蔽了入射激光能量，焊接熔深从最大开始下降( 如图1 7 ) 。 图1 7 激光焊接熔深与电子密度的关系 d l a c r o i x 2 3 1 等注文研究了y a g 激光器烧蚀不锈钢合金以及铬等材料时，测量 了发射光谱与等离子体温度和电子密度。结果表明等离子体云顶部温度4 5 0 0 k ， 底部温度6 6 0 0 k 。等离子体温度随激光的平均输入功率的变化比较大。当功率为 5 0 0 w 和7 0 0 w 时，等离子体温度变化微小，多余的能量被工件吸收。当y a g 的 平均功率达到8 0 0 w 以后，等离子体开始变亮并增高。此时外部输入能量大部分 用来加热等离子体，使能量的利用效率减小，同时由于等离子体体积增大，而增 大焊缝的热影响区域，降低了焊缝的焊接的质量。 文献 2 3 2 6 1 研究了等离子体的发射光谱与小孔振荡和等离子体振荡的关系， 监测焊接过程中出现的焊接缺陷，用于提高焊接质量，优化焊接工艺。总之，激 光深熔焊接中等离子体对焊接过程的影响很大。对其研究必然给焊接工艺的改进 起到至关重要的作用。特别是孔内等离子体对焊接过程的影响。目前还是很不清 晰。 1 6 现阶段研究的主要问题及本人的工作内容 硕士学位论文 如前文所述，光致等离子体是激光深熔焊接过程中在高能量密度激光柬作用 下伴随d , - 于_ l 现象同时存在的不可避免的重要物理现象。目前尽管采用了各种方法、 手段来研究等离子体，但是如今仍然存在各种问题。 ( 1 ) 目前，对激光等离子体产生的机理及其物理特性已有相当深度的研究与 认识，并且已被激光焊接工作者们普遍接受。然而如何更好地控制等离子体，甚 至消除等离子体对激光能量的吸收、散射、折射作用，从而增大熔深，这一问题 始终没能很好解决。由于激光焊接熔深受到多种焊接工艺参数的控制，综合考虑 各种参数的影响因子，求得最佳组合，可以极大提供焊接熔深，保证焊接质量。 ( 2 ) 现阶段应用的控制方法都没有能够从根本上解决激光等离子体对焊接质 量的影响，只是相对降低了等离子体对激光的屏蔽作用。吹辅助气体可以把：l 夕i - 的等离子体云尽量压缩到小孔的内部。在小孔内部，中心温度达到1 0 4 k 量级， 而小孔的孔壁温度最大只在5 0 0 0 k 左右。小孔的孔径一般在1 0 - 4 m 量级。如此大 的温度梯度是否会影响小孔的稳定及其深宽比，人们对此研究不多。 ( 3 ) 众多的有关激光材料加工中激光与光致等离子体相互作用的研究多集中 在工件表面的等离子，即所谓的等离子体云。工件表面的等离子体是被激光作用 而电离的金属蒸汽组成。其主要由带电的正负离子组成，属于等离子体范畴。但 等离子体云与小孔中的等离子体是有区别的： ( a ) 等离子体云位于工件表面，其压强可以认为是一个大气压。而小孔中的 等离子体的压强则大于一个大气压。盲孔激光焊接( 非穿透焊接) 的小孑l 内部压 强更大。激光穿透焊接时，由于小孑l 两端都与大气相通，其压强稍低。 ( b ) 等离子体云受到保护气体的吹力，冷却条件好，主要靠对流作用散热。 热量流失快：小孔中的等离子体集中在狭小的空间，热量传输以传导为主，因而热 量散失慢。 ( c ) 以上两个原因使得等离子体云温度低，而小孔内等离子体温度远大于等 离子体云的温度。文献【2 7 】表明，工件表面等离子体温度在1 1 0 0 0 k 以上，而孔内 等离子体温度比孔外等离子体高出几千度【2 8 1 。 基于小孔孔内等离子体与孔外等离子体在物理环境上的诸多不同，研究小孔 孔内等离子体与激光能量的相互作用关系具有一定的理论和使用价值。这决定了 本文的工作内容： ( 1 ) 对于d ：f l 孔内等离子体的测量而言，合理的试验方案的确定是至关重要 的。直接选择金属材料，很难观测小孔内的等离子体光谱。本文参考前人的试验 方法，采用“三明治”的试验方案。遁过在透明材料之间夹持金属材料( 薄铝膜 和不锈钢薄片) ，模拟实际的金属材料韵焊接。此方法在一定程度上可以反映实际 焊接的一般性规律。 ( 2 ) 为了能够测量光致等离子体的温度，相应的光谱测量系统是必需的。文 9 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 中结合实验室现有基本条件，自行设计开发用于光谱测量的试验装备。并结合试 验需要开发相对实用的软件。 ( 3 ) 研究焊接工艺参数与等离子体温度、焊接熔池宽度和深度的关系。制定 正交试验表，利用相对光强法求解等离子体温度，并对试验结果进行讨论分析。 为了研究小孔效应对焊接过程的影响，拍摄焊接过程中小孔的动态变化过程。讨 论分析等离子体与小孔振荡之间的定性关系。 1 7 本章小结 小孔效应是激光深熔焊接的本质特征。本章详细阐述了小孔产生的机理，及 其对激光焊接过程的影响。分析了激光深熔焊接中等离子体与输入激光能量的作 用，并介绍了目前人们对等离子体研究的试验方法，总结了人们对光等离子体研 究成果，提出了目前研究中的问题及本文的工作内容。 1 0 硕士学位论文 第2 章光谱诊断的基本原理 为了在激光焊接过程中，使工件最大限度地吸收入射激光能量、提高能量效 率、增大熔深、提高焊接深宽比、改善焊缝成形，深入研究激光焊接光致等离子 体与激光的相互作用机理是十分重要的。论文在第一章的内容中阐述激光深熔焊接中等 离子体与激光相互作用的基本过程，并简单介绍了检测等离子体的几种方法。相 比之下，由于光谱分析的方法不会干扰被测物理量的物理场，非常适合本文试验 研究的需要。因此本文将就光谱分析法的一般原理展开讨论。 2 1 光谱分析在材料】! j n - r - 中的应用 发射光谱是利用物质的光辐射所获得的光谱，对于外界能量激发下能够发光 的物质，可以采用这种分析方法。元素发射的谱线数目、强度、形态和宽度等信 息与物质所处的物理状态及物理参量，如温度、压力、粒子密度等具有密切关系， 因而这一试验技术为我们提供了揭示等离子体成分、含量、温度和微观运动机制 的有效方法。光谱分析法应用范围极其广泛，在材料加工方面主要集中在以下几 个方面： ( 1 ) 检测等离子体的物质成分、含量及其分布，耳前已经开发出利用光谱分 析技术监测焊接电弧气氛中的杂质( 如氢) 含量的小型化装置，借助于光谱分析 技术可以在线准确地探明等离子体内部的物质成分、含量、存在状态及在空间域 和时间域上的分布特征，这一技术对等离子喷吐和焊接过程中，等离子弧内部的 粒子分布特征和对质量的影响的研究极为有意义： ( 2 ) 测量等离子体的温度、粒子密度、电离度等参数； ( 3 ) 检测等离子体的辐射光强，并分析辐射对人体的危害； ( 4 ) 检测等离子体的电压或辐射光强信号，并分析它们与加工过程稳定性及 加工质量的关系，从而为开发出在线实时传感加工质量的传感器奠定基础。 2 2 激光焊接等离子体物性参数测量的理论基础 2 2 1 等离子体测量的热力学基础 在等壁温为，的无泄漏空腔中的均匀等离子体的状态【2 9 1 ，可用一定数量的宏 观参量( 温度、压力和成分浓度等) 来进行描述。而不知道等离子体中所发生的 微观过程的细节时，称这种等离子体处于完全热力学平衡态。对于处于完全热力 学平衡态的等离子体，可用统计力学中的某些定律来确定空腔内部的物质状态和 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的试验研究 辐射状态，麦克斯韦定律规定了粒子速度分布函数，玻耳兹曼分布确定了激发态 粒子的数密度，沙哈方程建立了电离的关系式，而普朗克定律给出了辐射的谱强 度。此四个方程为描述等离子体状态的基本方程。 但是要达到完全热力学平衡状态的条件是很苛刻的。一般只有星体内部，可 以找到几乎是等温的大体积等离子体，实验室等离子体中，辐射总不能被完全吸 收，而总有部分辐射能量要逸出等离子体。因此，在物质和辐射之间不存在平衡， 这样就不能用普朗克定律计算辐射强度，也不能用波耳兹曼分布来确定激发态的 粒子数密度( 由于辐射不能完全被吸收) 。此外，温度梯度、浓度梯度的存在必然 产生热量和质量扩散等不可逆过程。这就给问题的处理带来巨大的复杂性。然而， 当电子数密度足够高时，以使在等离子体中的激发、去激发和电子、复合等过程 中电子碰撞过程起决定性作用时，称等离子体处于局域热力学平衡态，从而问题 就可以得到很大程度的简化。 在局域热力学平衡的条件下，波耳兹曼公式可写： 堕：鱼e x p ( 一盟) ( 2 1 ) 门fg f船： 其中，瓦为电子温度，k 为上能级粒子数密度，啊为下能级粒子数密度，氍、g ， 分别为上下能级的统计权重，昱。、蜀分别为上下能级的电离能。在等离子体内部 有两种不同的温度概念，即离子温度和电子温度。一般情况下电子温度高于离子 温度。在局域热力学平衡的情况下，由于电子密度较高，碰撞机制占据主要的位 置。此种情况下，电子温度一般等于离子温度。因此在波耳兹曼公式中用电子温 度表示热力学温度。 把波耳兹曼公式推广到连续态能量。可得到沙哈方程。和完全热力学平衡时 相比，也是以电子温度z 代替热力学温度，即 堡盟：2 z ， * l ( t ) ( 2 w n k ，t ) 3 t a _ c x p ( 一竺与磐) (22)h n ，z 。( r ) 5 一 玎 7 其中，心是等离子体中的电子数密度；z + i 离子的因电离而失去的电子数；玎。为 z l ，价的离子数密度；以：为z 价的离子数密度：乙+ 。( r ) ，z 。( r