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( 四 ) 核能

▲图9同步诱导实验结果。 (1)Daa=1mm 。 (2)Daa=2mm 。 (3)Daa=3mm 。实心点(诱导)；空心点(无诱导) 。
▲图10 Dla和Daa对Mg原子光谱强度的影响。激光脉冲能量：16J ，其他焊接参数见表2 。
▲图11 不同Daa下双电弧等离子体的电子温度和密度。焊接参数见表2 。 4. 讨论4.1 双电弧焊中电弧长度的变化可以用物理模型来解释焊接实验中的现象。当双TIG电弧稳定燃烧时，金属板与电极之间必然存在叠加电场。在电弧放电空间中，恒定电场可以提高电子迁移速度，其中电子获得的动能与叠加电场的强度成正比，以电子温度等物理参数的形式表示，如图12(1)所示。实验中电弧电流为DCEN模式，因此电弧的电导率和电流密度j可用公式4和5表示：
(4)
(5)其中k是玻尔兹曼常数， Te是电子温度， me是电子质量，是电子的平均自由路径， e是电子电荷， E是电场强度。由上式可知，电弧的电流密度与电子温度Te和电场强度E成正比。在双电弧焊中， Daa值越小，叠加电场的强度越大，双电弧等离子体的电子温度也越高。因此，在较小的Daa条件下，双电弧呈现更强的叠加电流强度。一般情况下，在钨电极与金属板之间的最短距离处，电弧更倾向于形成弧柱。当电极垂直于工件时，在电极下方沿轴线方向形成弧柱，等离子体气流流动引起的电弧等离子体径向压力几乎平衡[29
。当电极向工件表面倾斜时，径向压力的平衡被破坏。电弧沿电极轴延伸，直到径向压力Fr和电弧刚度Fs达到新的力平衡。事实上，电弧刚度越大，电弧延伸的越长。以Daa为1mm和3mm的双电弧等离子体为例，双电弧的长度变化如图12(2)所示。电弧刚度可以用流过钨电极的电弧电流与放电空间产生的磁场之间的电磁力来解释。电磁力Fs如公式6所示：
(6)其中是介电导率， I1是双电弧电流，与双电弧电流的密度成正比， I2是钨电极电流， L是两导体之间的距离。 Daa为1mm时，可以通过较大的叠加电流强度来提高电弧刚度，且双电弧的弧长较长。随着Daa的增加，叠加电流的强度减小，电弧长度较短。在固定的焊接电流参数下， Daa的变化引起板面电弧双弧弧根的运动，这意味着当Daa较小时，激光与电弧等离子体之间的相互作用更容易发生在较大的Dla中。
▲图12(1)双电弧叠加电场示意图。 (2)不同Daa下双电弧长度的变化。 4.2 同步诱导机制与激光吸引单弧的条件类似， Dla仍是双电弧等离子体同步诱导实验中的一个非常重要的因素。由于Dla与电弧长度不匹配，激光和电弧等离子体之间很难发生粒子迁移和能量转移[2230
。从中可以看出，在焊接电流保持恒定的情况下， Daa的值会影响双电弧的弧长。因此，选择与弧长相匹配的Dla是实现激光同步诱导双弧等离子体的前提。为了保持电弧，钨电极和母材之间必须有稳定的电场。在复合焊接中，激光的高能量密度和液态金属的高能量吸收有利于形成匙孔。当匙孔靠近电弧等离子体根部时，匙孔中必定存在电场的轴向分量。大量电荷(Mg离子和电子)在电场力的驱动下沿一定方向移动，如图13(1)所示。参照文献，匙孔等离子体的电导率约为102A/V·cm 。因此，当使用匙孔等离子体作为连接电弧根和匙孔的通道时，就会产生匙孔电流。匙孔电流强度Ik可由欧姆定律确定：
(7)、 (8)、(9)其中j是电流密度， Eax是匙孔中的轴向电场强度，是匙孔等离子体的电导率， U和l分别是从匙孔顶部到底部的电压降和路径长度， R是电流传导截面。当假定匙孔为圆柱体时， R近似为匙孔的半径。可以注意到，当在激光-双电弧复合焊中形成匙孔时，钨电极与金属板之间存在三个方向分量相同的电流。根据安培定律，三个电流和它们之间的电磁力是同时产生的，这使得三个电流有合并成一个电流的趋势，如图13(2)所示。事实上，当匙孔稳定时，双电弧根部被迫移动到激光作用点附近。引力的驱动力大致可以用公式10和11来描述：
(10)、(11)其中F1和rka分别是电弧电流与匙孔电流之间的电磁力和距离， F2和D分别是两个电弧电流之间的电磁力和距离， h是匙孔深度， s是电弧长度， Ia是电弧电流强度。在图13(2)的模型中， rka可大致认为是圆弧根部和锁孔之间的距离d 。由于两个钨电极对称排列，所以D约等于2d 。因此，总驱动力为：
(12)显然，当其他参数固定时， Ftotal与h、s、Ik和Ia成正比，与d成反比。为了使模型更接近真实的实验条件，阴极发射的强电子流引起的电弧刚度不可忽视，这是抵抗外界干扰和防止等离子体形状和方向改变的固有特性。从公式6可以看出，电弧刚度与电弧电流强度成正比。因此， Ftotal与电弧刚度的关系决定了双电弧等离子体根部能否移动到激光作用区并形成单个电流通道。在合适的Dla条件下，热源之间的引力驱动力足够大且超过了电弧刚度，这是实现激光同步诱导双电弧等离子体的第二个条件。