核能|激光-双TIG复合焊接中激光同步诱导电弧等离子体的研究( 二 ) 核能

▲图1激光-双TIG复合焊接与诊断系统为了获得双电弧等离子体的正面轮廓，高速相机平行于焊接方向放置。中心波长为514.9 nm和808 nm的窄带滤光片分别放置在相机镜头前，对焊接区域Mg和Ar原子的发射光进行过滤和收集，如图2所示。相机采集频率为2000帧/秒，连续两幅图像的时间间隔为0.5ms 。
▲图2混合等离子体光谱波长范围从200nm到1000nm普林斯顿公司生产的SP-2556发射光谱仪被用于检测焊接过程中的电弧等离子体。如图1所示，电弧等离子体的光发射信号通过凸透镜2倍放大倒像显示在成像屏上，以提高采集位置的精度。光纤探头采集到的光发射信号传输到光谱仪，转换为电信号，并在计算机软件(WinSpec/32)中绘制强度波长曲线。为了减少误差，光谱仪的冷却系统会在采集前将内部真空室冷却至-70oC 。光谱采集的波长范围、曝光时间和分辨率可以通过软件设置。本文采用分辨率为0.128nm的300 grove/mm光栅收集350nm至850nm波长范围内的电弧等离子体的光谱信息，用于计算电子温度。此外，采用分辨率为0.011nm的2400 grove/mm光栅采集单光谱线信息，用于计算电弧等离子体的电子密度。曝光时间和数据读出时间分别设置为10ms和13.4ms 。 3. 结果3.1 同步诱导的判断目前，在激光-电弧复合焊接的研究中，研究结果表明，当激光能量照射金属板表面时，如果电弧等离子体根部被迫移动到激光作用点，就会发生激光对电弧的吸引力。在激光-双电弧复合焊接中，由于存在两个电弧热源，激光对双电弧等离子体的同步诱导并没有明确的定义。在本文中，同步诱导定义如下：在激光-双TIG复合焊接中，当激光能量作用于金属板表面时，两个电弧等离子体的根部被迫移动到激光作用点。同时，以激光作用点为中心，双电弧放电通道收缩为能量集中的耦合等离子体的公共导电通道。因此，应该会发生同步诱导。 3.1.1 从双电弧等离子体的形状判断为了研究激光对双电弧的诱导现象，通过调整Dla、激光脉冲能量和Daa三个参数进行了一系列实验。利用高速摄像机对双电弧等离子体的动态行为进行监测。详细的实验参数见表2 。初步观察表明，双电弧等离子体有四种形态，对应于表3中的四个参数组合。图3和图4分别为Ar电弧和Mg电弧等离子体在不同的焊接工艺下的形状。从图3(a)可以看出，当Dla比较小时(约0.75mm) ，双电弧等离子体呈现分散状态，称为分散等离子体。值得注意的是，在激光脉冲的早期阶段， Ar等离子体的底部发生畸变， Mg等离子体中出现了尖锐的凸起。在图3(b)中，当Dla为2.25mm时，随着激光脉冲的连续作用，双电弧等离子体从初始状态逐渐收缩到激光作用点，最终形成狭窄而集中的公共导电通道，并形成耦合等离子体。图4 (b)中同步产生了一个突出的Mg等离子体。当Dla持续增加到4.5mm时，激光脉冲作用在熔融金属较少的熔池边缘。金属蒸发引起的高反冲压力和金属蒸汽流动引起的剪切应力加速了熔体围绕匙孔的向上运动，导致大量飞溅。并且电弧等离子体保持其原始状态，几乎不受匙孔等离子体的影响，如图3(c)和图4(c)所示。当Dla为2.25mm ，且Daa从2mm调整到4mm时，如图3(d)所示， Ar等离子体在激光的作用下分成两部分，称为分离等离子体。 Mg等离子体的形状仅在激光作用点上方略微膨胀。综上所述，耦合等离子体明显形成了一个明亮而集中的公共导电通道，因此对同步诱导现象的判断简单方便。原始等离子体几乎没有变化可判断为无诱导。然而，在分散等离子体和分离等离子体中，电弧和激光之间似乎有很强的相互作用，但没有明显的公共导电通道，因此很难通过等离子体的形状直接判断是否发生同步诱导。
表2激光-双TIG复合焊接工艺中的主要参数
▲图3激光脉冲作用过程中的Ar电弧等离子体的行为
▲图4双电弧焊接和复合焊接中的Mg电弧等离子体行为(激光脉冲作用期间)3.1.2 从双电弧等离子体的光谱信息判断当难以通过等离子体形状判断同步诱导时，可采用光谱分析法。为了分析电弧等离子体的物理特性，选择电弧等离子体的中心位置来收集光谱数据。由于电极高度为4mm ，所以采集位置A设置在激光作用点上方2mm处。采集位置如图5所示。本文连续采集不同焊接工艺下350nm至850nm波长范围内的双电弧等离子体的光谱信息，并将数据记录在光谱软件中。表3中四种焊接工艺的光谱线强度信息如图6所示。每种焊接工艺包括半双电弧焊和半复合焊。图6(b)中发生同步诱导时，与双电弧焊相比，复合焊中Mg原子的光谱线强度大大增加，尤其是Mg I 516.732nm的强度从29187增加到64151 。 Ar原子的强度略有减少。原因是匙孔等离子体中低电离能的Mg原子进入电弧等离子体，这在之前的报道中有过详细描述。图6(c)表明复合焊和双电弧焊中Mg和Ar原子的强度相同，表明双电弧等离子体几乎不受匙孔等离子体的影响。从图6(a)可以看出，复合焊中Mg和Ar原子的强度低于双电弧焊。在图6(d)中，复合焊接中Mg原子的强度部分高于双电弧焊，而Ar原子的强度突然下降，几乎消失。图6中各曲线的波动表明，激光和电弧等离子体之间的相互作用随着它们的位置关系而变化。下面讨论图6(a)-(d)中光谱变化的原因。