激光焊接等离子体简化电流模型及应用

ISSN 100020054CN 1122223 N

清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2002年第42卷第4期

2002,V o l .42,N o .417 37

4882490

激光焊接等离子体简化电流模型及应用

王　成1,　陈武柱1,　彭　云1,　包　刚1,　田志凌2

(1.清华大学机械工程系,北京100084;2.北京钢铁研究总院,北京100081)

收稿日期:2001203228

基金项目:国家“九七三”基础研究项目;

清华大学“九八五”基金项目(0122101050)

作者简介:王　成(19742),男(汉),河北,博士研究生。

摘　要:等离子体控制是解决高功率激光焊接的关键技术。为完善对等离子体控制技术,对焊接过程中等离子体电流的形成进行了理论分析,并将等离子体导电过程简化等效为一个具有内阻的电源模型。采用3k W CO 2激光器在不同激光焊接规范下,依据测量得到的等离子体电流计算得到了等效电源电压和等效内阻。最后依据此模型成功实现了辅助磁场对等离子体的控制。

关键词:激光焊接;等离子体控制;电流模型;辅助磁场中图分类号:T G 456.7

文献标识码:A

文章编号:100020054(2002)0420488203

Si m ple pla s ma curren t m odel and its applica tion i n la ser beam weld i ng

W ANG C he ng 1,CHEN W uzhu 1,PENG Yun 1,

BAO Ga ng 1,TI A N Zhiling 2

(1.D epart men t of M echan ical Eng i neer i ng ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na ;2.Be ij i ng Cen tral Iron and Steel Research I n stitute ,

Be ij i ng 100081,Ch i na )

Abstract :P las m a contro l is one of the key techniques fo r high pow er laser w elding .

T he p las m a current in laser beam w elding w as

analyzed and a model that takes p las m a as a pow er source w ith resistance w as developed .The p las m a current in a 3k W CO 2laser w elding beam w as m easured experi m entally to calculate the equivalent pow er source vo ltage and source resistance fo r different laser w elding param eters .

T he p las m a can be contro lled by a

m agnetic field acco rding to the model .

Key words :laser beam w elding;p las m a contro l;current model;

auxiliary electric;m agnetic fields

在激光深熔焊接过程中,光致等离子体是材料在高能密度聚集激光束作用下所产生的一种必然现象。一般地说,工件表面的等离子体云对焊接过程有害,它不仅使光束波前畸变导致聚焦光斑扩散,使表面熔化区扩大,而且吸收部分入射激光,使有效激光能量减少,甚至完全屏蔽入射激光束,造成焊接过程的中断。因此等离子体控制是解决高功率激光焊接

的关键技术之一。国内外学者围绕等离子体控制做了大量工作,研究最多是使用辅助气体吹走等离子体[1],还有跳跃式激光焊方法、功率调制的方法[2]等等,最近香港的T se 还研究了外加电磁场控制等离子体[3]。然而目前这些等离子体控制技术多集中在工艺参数研究,缺乏一定理论支持。

将激光焊接时等离子体的导电过程简化为一个等效电路,并进行实验验证,为等离子体控制技术提供了一定理论依据。

1　等离子体电流模型

激光深熔焊过程中,焊接小孔中产生大量的金

属蒸汽,这些金属蒸汽在激光照射作用下由于温度迅速升高而大量电离,形成等离子体,并从小孔内出口附近向外扩散。只考虑金属原子的一次电离,可认为自由电子的浓度和正离子的浓度相同,电子温度和正离子温度相等且都等于等离子体的温度T 。粒子热运动速率为

v =

kT m

,(1)

其中:k 为Bo ltz m ann 常数,T 为粒子温度,m 为

粒子质量。

由于正离子的质量远大于电子的质量,由式(1)可知电子的热运动速度远大于正离子的运动速度,因此,靠近激光喷嘴附近电子的数量较多,而在工件附近正离子的数量相对较多,这样就形成了从工件到焊接喷嘴的电场,工件为正,喷嘴为负[4]。假定喷嘴与工件间的电势差为U s ,在喷嘴和工件之间外接负载时,负载上会有电流流过,此时U s 会稍有变化。根据经典的等离子体物理理论[5],等离子体中的电

子流为

I e =

1

4

en e0A p v e exp e U s kT e

,(2)

其中:I e 为电子流,e 为电子电荷,n e0为电子密度,

A p 为喷嘴前正对等离子体的面积,v e 为电子平均热运动速度,T e 为电子温度。

等离子体中的离子流为

I i =

1

4

en i0A p v i ,(3)

其中:n i0为正离子密度,v i 为正离子平均热运动速度。

在喷嘴和工件之间不外接负载时,平衡状态下显然有

I e =I i .(4)根据式(1),(2),(3)和(4)可得

U s =

kT

2e ln m e m i

,(5)

其中:m e 为电子质量,m i 为正离子质量。

由式(5)可看出,U s 与等离子体的温度T 成正比,而

T 是随焊接规范的变化而变化的。同时,焊接规范的不同,引起等离子体中电子、正离子的密度不同,则等离子体的导电情况就不同。因此激光深熔焊接过程中,喷嘴与工件间的等离子体可近似简化为具有内阻的电源,而且随焊接规范的变化U s ,R s 也会发生变化。如图1所示,U s 为等效电源电压,R s 为等效内阻。

图1　等离子体导电等效电路图

图2　实验装置与等效电路简图

2　模型验证及分析

设计实验装置及等效电路如图2所示,回路中

串入电流表是为了测量等离子体电流的大小。在喷嘴和工件之间外接负载R w 时,就会有电流从负载电阻上流过,但这个电流是很弱的,加入外加电源U w 的目的是加速电子扩散速度加大回路电流,以提高测量精度。

采用3kW 快速轴流CO 2激光器,其输出模式为T EM 00+T EM 01,经焦距为127m m

的透镜聚焦,焊接材料为2.6m m 厚普通低碳钢板。激光功率P =1.8kW ,焊接速度V =1m m in (工件移动)时,外加电压U w 与等离子体电流I 的关系曲线如图3所示。

图3　外加电压U w 与等离子体电流I 的关系曲线

根据图2可得出

U w =I (R s +R w )-U s .

(6)

将图3拟合成一条直线,由式(6)可知直线的斜率为1

(R s +R w )。实验中选取负载电阻R w =7.5k 8,计算得到:激光功率P =1.8kW ,焊接速度V =1m m in 时,等离子体等效电源电压U s =0.75V ,等效内阻R s =3.3k 8。

当激光功率P =1.3kW ,焊接速度V =1m m in 时,实验结果如表1所示,经拟合计算得到:U s =0.65V ,R s =7k 8。

表1　不同外加电压U w 对应的等离子体电流I

(P =1.3k W ,V =1m m i n )

外加电压U w V

等离子体电流I mA

00.0550.3120.824

1.7

综合图3及表1实验数据的计算结果可知:焊

接规范不同,U s 和R s 也不同。当焊接速度一定,激光功率加大时,U s 升高、R s 降低。这是由于激光功率P 越高,则等离子体的温度T 越高,由式(5)可知U s 会升高;同时由于等离子体温度T 升高,引起等离子体中带电粒子数量增加,导致等效内阻R s 降低。

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