激光焊接等离子体简化电流模型及应用
保护条件变化的激光焊接等离子体光谱分析
验结果进行验证分析 。 分步减小气流量试验 ： 如图 １ 所示， 从 左 向右将 焊接试 板分成 ４ 段， 长度依次为 ３ ｏ ， ３ ｏ ， ５ Ｏ和 ５ ０ ａｉ ｒ ｎ ，在每个交界 点改变保 护气体 流量 ， 采 用 Ａｒ 气保 护 ， 从 左 向右保 护气流 量大小依 次为 ２ Ｏ ，１ ０ ，５和 ０ Ｌ・ ａｉ ｒ ｎ ， 尽 量保证试 验在 同
谱分 析是 研究 等离子体 状态特征的较好方法 ， 可用 于激 光焊 过程 等离 子体 状态的诊 断分析 ， 进而探索等离 子体 中包 含的
激光 焊过 程信 息所 反映的焊接状态 。 激光 等 离 子 体 的 状 态 变 化 与 激 光 焊 过 程 密 切 相 关 。
Ｋｏ ｎ ｇ等认为焊接接头 中存 在 的缺 陷与焊 接过程 中该缺 陷处 对 应 的等 离 子 体 电子 温 度 变 化 相 关 ＿ ２ ］ ；Ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｌ ａ ｎ ｏ等 指 出 在
文设计分步逐渐减小保护气流量的激光焊试验 ，分析研究在
基本 的保护条件发生变化时激光等离子体的状态变化及其对
焊接过程的影响 ， 探 索 其 变 化 规 律 。在 此 基 础 上 ， 模 拟 实 际
激 光 焊 接 过 程 中可 能 会 发 生 的保 护 不 良条 件 展 开试 验 ， 对试
焊接熔深 的大小 ［ ４ － ５ ３ ； Ｋｏ ｎ ｕ ｋ等指出保护 条件对焊 接质量 的
也较小 ； 在保护不 良的条件下 ， 等离子体的 电子温度和 电子密度都 比较大 ， 且 波动幅度 也 比较大 ，这种变化
激光焊接工艺和应用技术
激光焊接工艺和应用技术引言激光焊接是一种高精度、高效率的焊接技术，通过激光束的聚焦实现金属材料的精确熔化和连接。
激光焊接工艺和应用技术已经在许多领域得到了广泛应用，包括汽车制造、电子设备、航空航天等。
本文将介绍激光焊接的基本原理、工艺流程和应用技术。
激光焊接的原理激光焊接是利用激光的高能量密度和高聚光性，通过激光束的照射使金属材料局部熔化和连接的焊接技术。
激光束经过透镜的聚焦，使激光功率密度在焦点位置达到一个很高的数值，从而使金属材料局部加热到熔化温度。
通过控制激光束的照射时间和位置，可以实现金属材料的精确焊接。
激光焊接的工艺流程激光焊接的工艺流程包括准备工作、参数设定、焊接操作和焊后处理。
准备工作在开始激光焊接之前，需要先对焊接材料进行准备工作。
这包括清洁焊接表面、去除氧化物等操作，以确保焊接质量。
参数设定在进行激光焊接时，需要设置一系列的参数，包括激光功率、焦距、焊接速度等。
这些参数的设定会影响焊接的质量和效率。
焊接操作激光焊接的操作需要一定的技术和经验。
操作人员需要根据焊接要求和参数设定进行操作，保证焊接的质量和一致性。
焊后处理焊接完成后，还需要进行焊后处理。
这包括焊缝清理、焊接部位的处理等操作，以确保焊接部位达到预期的要求。
激光焊接的应用技术激光焊接技术在许多领域得到了广泛应用。
汽车制造在汽车制造中，激光焊接被广泛应用于车身焊接和零部件焊接等领域。
激光焊接可以实现对汽车焊接质量的控制，提高生产效率和产品质量。
电子设备在电子设备制造中，激光焊接常被用于焊接电子元件和连接电路板等工作。
激光焊接可以实现对微小焊接点的精确焊接，提高产品的可靠性和性能。
航空航天在航空航天领域，激光焊接被广泛应用于航空器的制造和维修。
激光焊接可以实现对复杂结构的焊接，提高航空器的结构强度和整体性能。
结论激光焊接是一种高精度、高效率的焊接技术，已经在许多领域得到了广泛应用。
掌握激光焊接的工艺流程和应用技术，对于提高焊接质量和效率具有重要意义。
等离子激光的原理和应用
等离子激光的原理和应用1. 等离子激光的概述等离子激光是一种使用等离子体作为主要激发源的激光器。
它通过加热气体或材料产生等离子体，然后利用等离子体的激发态产生激光辐射。
等离子激光具有高能量、高峰功率、短脉冲宽度和高光斑质量等特点，被广泛应用于科学研究、材料加工、医学美容等领域。
2. 等离子激光的原理等离子激光的原理基于气体或材料的电离和辐射过程。
在激光器内部，通过电压或能量输入对气体或材料进行激励，使其电离形成等离子体。
当外部条件达到能量转移的阈值时，激活态的粒子跃迁到基态，产生激光输出。
等离子体的激发态被放大，产生连续激光或脉冲激光。
3. 等离子激光的应用等离子激光由于其特殊的性能，具备广泛的应用场景和潜力。
3.1 材料加工•激光切割：等离子激光通过高能量密度和聚焦效应，可以实现高精度、高速的金属切割、打孔和开槽等加工过程。
•激光焊接：等离子激光通过瞬间高温融合材料，广泛应用于汽车制造、电子设备和航空航天等领域。
•激光打印：等离子激光可以利用其高光束质量和高稳定性，实现高清晰度和高速度的打印效果，用于3D打印和高精度打印行业。
3.2 科学研究•等离子体物理：通过等离子激光的原理和技术，研究等离子体的基本性质、能量传递机制和粒子运动规律等，对物理学、天文学和核聚变等领域的研究具有重要意义。
•超快激光科学：利用等离子激光的超快脉冲宽度和高峰功率，可以实现飞秒和皮秒级别的时间分辨率，研究超快动力学过程，如分子自旋、电子输运和能量转移等。
3.3 医学美容•激光去斑：等离子激光的高能量和高光束质量可以精确瞄准色素团块，破坏黑色素并促进新的皮肤生长，从而去除色素斑点。
•激光脱毛：等离子激光通过选择性照射毛囊，将光能转化为热能，破坏毛囊组织，达到脱毛的效果。
•激光治疗皮肤疾病：等离子激光可以去除红血丝、疤痕和皮肤病损等，促进皮肤再生和修复。
4. 总结等离子激光作为一种新兴的激光技术，具有广泛的应用前景。
其原理基于气体或材料的电离和辐射过程，通过激发态的跃迁产生激光输出。
万瓦级光纤激光焊接过程中小孔内外等离子体研究_李时春
(4)
其 中, n i 为 离 子 密 度, 局 部 热 力 学 平 衡 条 件 下, n i = n e ; n0 为 电 离 后 的 金 属 原 子 密 度; Z0 和 Z1 分别为基态和离子态配分函数; m e 为电子质
i 量; E∞ 为 一 级 电 离 能 (假 设 焊 接 过 程 中 等 离 子 i 体 为 一 级 电 离 状 态); ∆E∞ 为 电 离 能 修 正 系 数, i ∆E∞ = 0.223 eV. 当获得等离子体的电子温度和
104212-2
图2
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图1
孔内等离子体观察装置及其光谱检测装置示意图
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孔外等离子体观察装置及其光谱检测装置示意图
2.2
理论背景
采集等离子体光谱信号后, 利用现有等离子体
物 理 学 报 Acta Phys. Sin.
Vol. 63, No. 10 (2014) 104212
万瓦级光纤激光焊接过程中小孔内外 等离子体研究∗
李时春 陈根余 † 周聪 陈晓锋 周宇
(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 长沙 410082)
( 2013 年 12 月 9 日收到; 2014 年 1 月 28 日收到修改稿 )
为了进一步深入了解超高功率光纤激光深熔焊接过程中等离子体特征, 试验拍摄了深熔小孔内外等离子 体形态, 并采用光谱仪检测分析了光纤激光致等离子体光谱信号. 利用检测得到的等离子体光谱信号, 计算 研究了等离子体的电子温度、 电子密度、 电离度以及等离子体压力特征, 并分析了在小孔内不同深度处及孔外 等离子体的变化规律. 结果表明, 孔内等离子体呈现不均匀分布特征, 孔外金属蒸气远多于等离子体. 等离子 体光谱分析显示, 光纤激光致等离子体辐射出的谱线较少, 即电离程度较低. 进一步的计算结果同样证实了 光纤激光致等离子体处于弱电离状态, 但等离子体电子密度仍然处于较高水平, 且等离子体瞬态压力可达到 数百个大气压.
激光焊的特点及其应用
激光焊的特点及其应用一、激光焊的特点1、优点激光焊是以高能量密度激光束作为热源的熔焊方法。
采用激光焊，不仅生产率高于彳专统的焊接方法，而且焊接质量也得到显著提高。
与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点。
1）聚焦激光束具有很高的功率密度（105~107W∕cm2或更高），加热速度快，具有高深宽比（在穿孔焊接的情况下，焊缝深度与宽度之比可以达到10:1）,焊接速度快特点，可实现深熔焊和高速焊。
激光焊接可以实现电脑或者数位控制，焊接速度相比传统焊接要快3-5倍，可明显提高焊接效率，提升整体制造效率。
2）焊缝平整美观，焊后无需处理或只需简单处理工序，同时焊缝质量高，无气孔，焊后组织可细化，焊缝强度、韧性相当于甚至超过母材金属。
4）激光加热范围小（＜1mm）,在同等功率和焊件厚度条件下，可将热量输入减少到最小所需量，热影响区变化范围小，热传导引起的变形也最低。
5）激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，并精确控制，聚焦光点小，可高精度定位，易实现自动化，特别适合于微型零件、难以接近的部位或远距离的焊接。
6）激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适合于在玻璃制成的密封容器里焊接被合金等剧毒材料，同时激光不受电磁场影响，不存在射线防护，也不需要真空保护。
7）可焊接某些异种材料和一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属、非金属材料（如陶瓷、有机玻璃等）、对热输入敏感的材料都可激光焊，且焊后无需热处理。
8）激光焊接技术属于非接触式焊接，焊接方式不同于传统焊接，无需使用电极，对机具的损耗和形变影响非常少，能够将热入量很大限度的降低，降低因热传导产生的不利影响发生率。
2.局限性1）由于光束质量和激光功率的限制，激光束的穿透深度有限，高功率、高光束质量的激光器加工成本高，激光器特别是高功率连续激光器，价格昂贵，目前工业用激光器的最大功率为20kW,可焊接的最大厚度约20mm,比电子束焊小得多。
激光焊接技术的研究与应用
激光焊接技术的研究与应用嘿，咱们今天来聊聊激光焊接技术！说起激光焊接技术，这可真是个厉害的家伙。
你知道吗，有一次我去一家工厂参观，那场景可把我震住了。
一走进车间，机器的轰鸣声充斥着耳朵，工人们都在各自的岗位上忙碌着。
我看到一台巨大的设备，上面闪烁着神秘的光芒，那就是激光焊接机。
当时，一个工人师傅正拿着一块金属零件放在焊接机的工作台上，他熟练地调整着参数，然后按下了启动按钮。
瞬间，一道强烈的激光束射出，就像科幻电影里的超级武器一样，那光芒简直亮瞎眼。
只见那金属零件的接口处迅速融化，然后融合在一起，整个过程快得让人咋舌。
激光焊接技术之所以这么牛，是因为它有很多独特的优点。
首先，它的焊接速度超级快。
传统的焊接方法，像电弧焊啥的，跟它比起来简直就是蜗牛爬。
激光焊接就像闪电一样，瞬间就能完成焊接任务。
而且啊，焊接的质量那叫一个高。
焊接的地方特别牢固，焊缝又窄又平整，美观得很。
这对于那些对外观和质量要求很高的产品来说，简直是福音。
比如说汽车制造，激光焊接能让车身更加坚固和美观。
还有哦，激光焊接的适应性也很强。
不管是薄如纸张的金属片，还是厚得像砖头的金属块，它都能轻松应对。
而且，它能焊接各种形状复杂的零件，那些奇奇怪怪的角度和曲线，对它来说都不是事儿。
在航空航天领域，激光焊接技术更是大显身手。
飞机的零部件可都要求高精度、高强度，激光焊接正好能满足这些苛刻的要求。
比如说飞机的机翼，那可是要承受巨大的压力和风力的，用激光焊接技术焊接的机翼，坚固得让人放心。
在电子行业，激光焊接也有着广泛的应用。
像手机、电脑里面的那些微小的零部件，用传统焊接方法根本搞不定，激光焊接就能精准地把它们焊接在一起，而且还不会损伤周围的零件。
不过呢，激光焊接技术也不是完美无缺的。
它的设备成本比较高，这就限制了一些小企业的使用。
而且，对操作人员的技术要求也很高，得经过专门的培训才能上岗。
但是，随着技术的不断进步，这些问题都在逐渐被解决。
相信在不久的将来，激光焊接技术会更加普及，给我们的生活带来更多的便利。
不锈钢CO2激光焊接工艺及等离子体特性研究的开题报告
不锈钢CO2激光焊接工艺及等离子体特性研究的开题报告一、选题背景不锈钢作为一种重要的材料，广泛应用于机械、船舶、化工、食品等领域。
CO2激光焊接技术在不锈钢的加工中应用广泛，具有高效、高精度、低热输入等优点。
不锈钢CO2激光焊接过程中，等离子体是影响焊接质量和稳定性的关键因素。
因此，开展不锈钢CO2激光焊接工艺及等离子体特性研究，具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容1. 基于CO2激光焊接的不锈钢焊接工艺研究：探究焊接参数对焊接接头质量的影响，包括焊缝形貌、焊接变形、裂纹和气孔等问题。
2. 不锈钢CO2激光焊接过程中等离子体特性研究：研究等离子体的形成、演化和稳定性，揭示等离子体与焊接质量之间的关系。
三、研究方法1. 实验研究法：通过设计不锈钢CO2激光焊接实验，对焊接参数、焊接速度、辅助气体等进行变量调节，探究焊接参数对接头质量的影响。
2. 数值模拟法：基于ANSYS等有限元软件，建立不锈钢CO2激光焊接过程数学模型，模拟焊接过程及等离子体的形成、演化和稳定性。
四、预期成果通过本次研究，预计可以实现以下目标：1. 建立不锈钢CO2激光焊接的数学模型，模拟该过程及等离子体的形成、演化和稳定性。
2. 探究不锈钢CO2激光焊接的最佳焊接参数组合。
3. 揭示等离子体与焊接质量之间的关系，提高不锈钢CO2激光焊接质量和稳定性。
五、论文结构本文共分为五个部分。
第一部分为绪论，包括研究的背景、目的、内容和方法。
第二部分为文献综述，主要介绍了不锈钢CO2激光焊接技术的研究现状。
第三部分为实验与模拟方法，包括实验设计和数值模拟方法。
第四部分为实验和模拟结果分析，分析不锈钢CO2激光焊接的等离子体特性和焊接质量。
最后，第五部分为结论和展望，总结了本文的研究结果，并对未来的研究方向进行了展望。
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 374882490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)0420488203Si m ple pla s ma curren t m odel and its applica tion i n la ser beam weld i ngW 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 asanalyzed 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 am 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。
激光焊接时等离子体电流的产生及外加电磁场的作用
ｏ ｌ ｉｉ ｒ ｌｃ ｒ ｍ ａ ｎ ｔｃ ｆｅ ｄ ｉ． ｆ ａｌ ｌ ｙ ｅ ｅ ｔ ｏ ｘ ａ ｇ ｅ ｉ ｉ ｌ ｓ １ ｃＯ２ｌ ｓ ｒ ｂ ａ ｗｅｄｉ ｇ １ ａｅ ｅ ｍ ｌ ｎ
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（Ｄｅ ａ 叽 １ ｆＭ ｅＮｍｉａ Ｅ ｎ ｅｌｇ ％ｑ ￣ ｕ ｉｅｓｙ，￣ｉ ｇ １ （）４） ｐ】 。 ｃ ｅｌ ｅｒｎ ， ｎ ｈ ａＵｎｖｒｉ Ｐ ｌ ０１８ ｔ ｎ ｔ
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焊接 辅 助 电磁 场 装 置 ， 计 一 种 新 的 实 验 方 法 ， 统 研 设 系 究 了 电磁场 工 艺 参 数 对 等 离 子 体 控 制 的 影 响 ， 深 入 较 地 分 析 了辅 助 电 磁场 控 制 等离 子 体 的机 理 。
维普资讯
《 激光 杂 志） ｏ ２年 第 ２ ２￣ ３卷 第 ２期 Ｅ ＯＵ１Ｎ Ｖｏ．３ Ｎｏ ２ ２ ０ ）
激 光 焊 接 时 等 离 子 体 电 流 的产 生 及 ￣ Ｊ 电 磁 场 的 作 用 ＩＪ ，Ｎ
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火花放电等离子体的特性分析及其在焊接中的应用研究
火花放电等离子体的特性分析及其在焊接中
的应用研究
第一章火花放电等离子体的基本概念和形成机理
1.1 等离子体的定义和分类
1.2 火花放电等离子体的形成机理
1.3 火花放电等离子体的特性
第二章火花放电等离子体在焊接中的应用
2.1 火花放电等离子体在电弧焊中的应用
2.1.1 火花放电等离子体在电弧起始中的作用
2.1.2 火花放电等离子体在电弧稳定维持中的作用
2.1.3 火花放电等离子体对焊缝质量的影响
2.2 火花放电等离子体在激光焊接中的应用
2.2.1 火花放电等离子体在激光光束传输中的作用
2.2.2 火花放电等离子体对激光焊接质量的影响
2.2.3 火花放电等离子体对激光焊接过程的监测与控制
第三章火花放电等离子体在焊接中的相关技术研究
3.1 火花放电等离子体监测技术的研究进展
3.1.1 光谱分析法
3.1.2 电感耦合等离子体发射光谱法
3.1.3 激光诱导击穿光谱法
3.2 火花放电等离子体控制技术的研究进展
3.2.1 电弧稳定维持技术
3.2.2 火花放电等离子体动态控制技术
3.2.3 激光焊接过程中的火花放电等离子体控制技术
第四章火花放电等离子体在焊接中的未来发展方向
4.1 火花放电等离子体探测技术的进步和应用扩展
4.2 火花放电等离子体控制技术的自动化和智能化发展
4.3 火花放电等离子体与其他焊接工艺的结合研究
结论
参考文献
（注：以上仅为章节划分示例，实际内容应根据专业性和题目要求进行撰写）。
激光焊接技术与应用
2.激光焊接的基本概念
2. 1激光焊接机的主要结构
冰水机 主机
振镜头 工作台
主机内部主要结构介绍
全反射镜
导向激 光
快门
功率监 测
分光镜
YAG激光棒
励 起 灯( 氙灯)
输出镜 光纤
出射头
冷却器
电源
加工物
耦合 筒
2. 2焊接常用的代名词介绍与详解
1. 激光峰值功率：激光在实际出光时的瞬间功率。 2. 激光脉宽：指激光功率维持在一定值时所持续的时间。
与非金属焊接在一起。 (4) 激光焊接装置不需要与被焊接工件接触.激光束可以用光导纤维将其引到难 以 接近的部位进行焊接,还可以反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦.激 光 还可以穿过透明材料进行聚焦,因此可以焊接一般难以接近的接头或无法安置的接 焊点,如真空管中电极的焊接。
(5) 激光束不会带来任何磨损,且能长时间稳定工作。 激光焊接的不足主要表现在以下两点: (1) 要求焊件装配精度高,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移.这是因为 激 光聚焦后光斑尺寸小,焊缝窄.如工件装配精度或光束定位精度达不到要求,很容易 造成焊接缺陷，如虚焊等。
2. 3激光加工条件参数及影响
激光加工条件参数
• 激光熔接加工条件参数：
➢激光输出功率
➢焦点位置
➢熔接速度
➢加工气体
➢焦点距离
➢ 激光脉冲波形
➢激光输出功率对加工的影 响
• 激光输出功率和熔入 深度几乎成比例关系
• 激光输出功率和焊缝 宽度也有一定比例关系
峰值功率越大﹐熔入深度越深
激光输出功率和熔入深度的关系
适应于塑胶间焊接,能最小化 热 损坏和热变形
能产生气密性的或者真空密封 结构
激光束焊接原理及应用完整版课件
数据分析与优化
利用大数据技术对焊接过程中的数据 进行分析，不断优化焊接参数，提高 焊接质量。
智能预测与维护
通过机器学习等技术预测设备故障， 实现设备的预防性维护，提高设备利 用率。
CHAPTER
激光束焊接质量控制与检测
激光束焊接缺陷与防止措施
01
气孔
02
裂纹
03
咬边
激光束焊接质量检测方法
射线检测
高功率、高效率激光束焊接技术发展
高功率激光器
高效能量转换
复合激光束焊接技术研究与应用
激光-电弧复合焊接
将激光束与电弧复合使用，能够同时利用两者的优势，提高焊接速度和质量。
激光-超声复合焊接
利用超声波的振动效应，能够改善焊接接头的组织和性能，提高焊接质量。
激光束焊接在新能源、环保领域的应用前景
新能源领域
激光束焊接的工艺参数
激光功率
光斑直径
焊接速度
保护气体
CHAPTER
激光束焊接设备与技术
激光束焊接设备的组成
光束传输系统
将激光束从激光器 传输到工作区域。
工作台
承载和移动焊接件 的部分。
激光器
产生并控制激光束 的关键部分。
聚焦系统
将激光束聚焦到所 需直径，以达到焊 接要求。
控制系统
控制整个焊接过程， 包括激光输出、工 作台移动等。
激光束焊接技术能够应用于太阳能电池板、锂离子电池等新能源产品的制造中，实现高质量、高效率的焊接。
环保领域
激光束焊接技术具有无污染、低能耗等优点，在环保领域的应用前景广阔，如环保设备、水处理设备等制造过程 中可采用该技术。
激光束焊接技术的教育与培训展望
专业人才培养
等离子焊接的原理和应用
等离子焊接的原理和应用1. 等离子焊接的原理等离子焊接是一种常见的金属焊接方法，它利用高温等离子体的热能来加热和熔化焊接材料，从而实现焊接的目的。
具体来说，等离子焊接的原理可以归结为以下几个方面：•等离子体产生：等离子体是一种高度电离的气体，在等离子焊接过程中，需要通过外部能量源来产生等离子体。
常见的方法包括电弧放电、激光加热和等离子体喷射等。
•等离子体加热：等离子体具有很高的温度，可以达到几千摄氏度甚至更高。
在焊接过程中，高温等离子体通过传导、对流和辐射等方式将热能传递给焊接材料，使其达到熔化温度。
•材料熔化和混合：当焊接材料表面被高温等离子体加热后，其开始熔化并与周围的材料混合。
在等离子焊接中，焊接材料可以是同种金属或不同种金属，甚至可以是金属和非金属的组合。
•冷却和固化：在焊接完成后，焊接材料会在大气中快速冷却，并逐渐固化。
冷却速度和焊接材料的物理性质有关，不同的冷却速度会影响焊缝的组织结构和力学性能。
等离子焊接的原理简单明了，通过高温等离子体的加热作用实现焊接材料的熔化和混合，从而实现焊接的目的。
2. 等离子焊接的应用等离子焊接是一种广泛应用于各个领域的焊接技术，其应用范围包括但不限于以下几个方面：2.1 电子和电器行业电子和电器行业是等离子焊接的主要应用领域之一。
在电子器件的制造过程中，等离子焊接可以实现电路板的连接、导线的焊接以及芯片的封装等。
由于等离子焊接具有高热效率和较小的热影响区域，因此可以确保焊接过程中电子器件的可靠性和稳定性。
2.2 汽车工业汽车工业是另一个重要的等离子焊接应用领域。
在汽车制造过程中，等离子焊接可以用于焊接车身零部件、汽车底盘以及汽车发动机等。
等离子焊接具有焊接速度快、焊缝质量高以及焊接后无需进一步加工等优点，因此能够大大提高汽车生产的效率和质量。
2.3 航空航天工业航空航天工业也是等离子焊接的重要应用领域之一。
在航空航天器的制造过程中，等离子焊接可以用于焊接航天器的外壳、燃烧室以及发动机等。
第二节激光与等离子体相互作用优质PPT
等离子体点燃时间
什么时候产生等离子体？
激光焊接中的光致等离子体
得出：环境压力降低时，工件表面的等离子体数量减少，熔深增加且达到饱和熔深。
1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据， 激光焊接中的光致等离子体
等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光能量，使自己的温度升高，电离度增大。
第二节激光与等离子体相互作用
回忆
激光等离子体的产生机理
l 热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、 蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离—高 功率+金属
l 光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体 中的原子吸收，由于光子能量大于电离势—单光子： 紫外；多光子：波长小于1m
l 电子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激 光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子 崩，电子密度呈指数增长---环境气体+长波激光。
z：电离度
激光在等离子体中的传播方程
3、其它
l 密度和速度由流体力学方程给出：质量守恒、动量 守恒和能量守恒
tne,i (ne,iue,i)0
d d tu e n e 1 m e p e m e e(E u e B )e i(u e u i) d d tu i n i1 m i p i m 2 e i(E u i B ) n n e im m i ee i( u e u i)
l 群速度 包含了电子屏蔽、离子屏蔽，消除了积分的发散。
g 而激光焊接则不希望激光能量被等离子体吸收
2 21 /2 pe
传播、吸收、散射、折射
l 相速度 v /k c/(1 /) 短波长激光能够大大提高激光逆韧致吸收效率，由于集体效应的影响，即使波长再短，吸收效率也不会达到1
基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用
基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用汪任凭;雷永平;史耀武【摘要】In order to simulate accurate change of free surface of keyhole and the corresponding temperature distribution in laser deep penetration welding, heat source model conformed to laser penetration welding physical process was inferred using ray tracing method. Using the heat source model, a three-phase unified control equation of vapor phase, liquid phase and solid phase was established during laser deep penetration welding. The dynamic change process and its corresponding temperature distribution of keyhole can be calculated by tracing free surface of keyhole using the volume of fluid method. A conclusion is drawn that the computational results agree well with experimental results.%为了研究激光深溶焊接过程中匙孔内自由肇面的变化及相应的温度分布,采用光束跟踪法,推导出了符合激光深熔焊接物理过程的热源模型.在建立的气、液、固3相统一的控制方程中使用该热源模型,通过流体容积法追踪匙孔自由液面,得出了匙孔的动态变化过程及相应的温度分布.结果表明,采用光束跟踪法热源模型计算出的熔池轮廓与激光熔焊接实验相符合.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)001【总页数】5页(P31-35)【关键词】激光技术;激光焊接;光束跟踪法;匙孔;数值模拟【作者】汪任凭;雷永平;史耀武【作者单位】北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124【正文语种】中文【中图分类】TG456.7引言激光深熔焊接过程中，由于金属材料剧烈气化膨张产生的反冲压力将熔融材料抛出，形成匙孔，匙孔的产生使得金属材料对激光束能量的吸收变得非常复杂，热流方程难以描述。
2.7 等离子体对激光焊接工艺的影响.
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态。激光焊接工艺中形成的等离子体主要是由于激光功率密度很高，导致金
属距离蒸发、电离造成的。
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图1 激光焊接中形成的等离子体示意图
2.2 等离子体对焊接的影响
激光焊接工艺中形成的等离子体一般属于低温等离子体，按空间位置和形态可分为三种： 1）当 激光功率小于106w/cm2时，产生的等离子体是稀疏的Байду номын сангаас依附于工件表面，对激光是近似透明的； 2）当激光功率处于106w/cm2-107w/cm2时，等离子体明显增强，表现出对激光的吸收、反射和 折射作用。此时等离子体向工件上方和周围扩展，形成稳定的近似球形的云；3）当激光功率大 于107w/cm2时，产生的等离子体强度和空间位置呈周期性变化。激光功率越大，等离子体空间 分布范围也越大。
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图2 激光焊接功率对等离子体形态的影响示意图
2.3 等离子体的控制方法
1）从根本上抑制等离子体形成：如真空法降低金属蒸汽和 电子密度，但这些措施并不实用； 2）利用辅助气体控制：稀释金属蒸汽、电子密度或吹除等 离子体。
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2.4 气体流量对等离子体的影响
一般来说，气体流量增加有助于减小等离子体空间分布范围。
图3 不同气体流量对等离子体的抑制作用
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2.5 气体侧吹对等离子体的影响
可以看出，侧吹气体处于X轴零点位置时对抑制等离子体的形成效果最好。
图4 侧吹气体位置对等离子体的影响
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可以看出，侧吹气管倾斜角度为50度左右时对抑制等离子体的形成效果最好。
图5 侧吹气体角度对等离子体的影响
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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 374882490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)0420488203Si m ple pla s ma curren t m odel and its applica tion i n la ser beam weld i ngW 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 asanalyzed 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 am 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 =14en 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 =14en 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 =kT2e 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 mA00.0550.3120.8241.7 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。
984王 成,等: 激光焊接等离子体简化电流模型及应用3 模型应用——辅助磁场控制等离子体根据经典电磁理论,磁场对导电体会产生力的作用。
可以设想在图2所示实验装置的基础上,施加辅助磁场,等离子体在电磁力的作用下会发生横向偏移,使得激光头下方等离子体中带电粒子的密度减小,从而造成等离子体对激光的吸收系数减小,以达到通过控制等离子体控制焊接过程的目的[3]。
实验简图如图4所示。
为了明确显示辅助磁场的作用,采用提升喷嘴实验。
焊接过程中提升喷嘴,使激光束焦点位置产生由入焦到离焦的变化,激光焊接则会从深熔焊变为热导焊。
在同样提升斜率和焊接速度下,工件接受的激光功率越大,深熔焊焊缝越长[6]。
实验结果如图5所示。
图4 辅助磁场控制等离子体实验简图图5 施加磁场与不加磁场焊缝长度对比照片图5中,焊道a ,c 为施加辅助磁场的焊缝,焊道b 未施加磁场。
可见施加辅助磁场后,由于等离子体在电磁力作用下发生定向漂移,使得等离子体对激光的吸收系数减少,工件获得更多的激光能量,结果引起激光深熔焊缝长度加长。
这一结果验证了等离子体导电模型的正确性。
4 结 论1)激光深熔焊接过程中,喷嘴与工件间的等离子体可简化为具有内阻的电源,等效内阻与等效电源电压随焊接工艺参数的变化而变化。
激光功率P =1.8kW ,焊接速度V =1m m in 时,实验测得:等效电源电压U s =0.75V ,等效内阻R s =3.3k 8。
2)依据等效模型,利用辅助电磁场可实现对等离子体的控制。
参考文献 (References )[1]V astra I,Boudo t C.Influence of the sh ielding gas internalbo re w elding [J ].S P IE ,1991,1502:190202.[2]SeidelB.P rocess contro l in continuous high pow er CO 2laserbeam w elding [J ].S P IE ,1994,2207:290300.[3]T se H C,M an H C,Yue T M.Effect of electric andm agnetic fields on p las m a contro l during CO 2laser w elding [J ].O p tics and L asers in E ng ineering ,1999,32:5563.[4]王勇.激光深熔焊控制技术及其原理研究[D ].北京:清华大学,1996.WAN G Yong .Contro l T echnique and T heo retical R esearch of D eep 2penetrati on L aser W elding [D ].Beijing:T singhua U niversity,1996.(in Ch inese )[5]金佑民,樊友三.低温等离子体物理基础[M ].北京:清华大学出版社,1983,1.J I N Youm in,FAN Yousan .M icro ther m P las m a Physics Foundati on [M ].Beijing:T singhua U niversity P ress,1983.(in Chinese )[6]陈武柱,张旭东,任家烈,等.激光焊接时焊接模式转变规律及焊接过程稳定性的研究[J ].中国激光,1996,23(7):657661.CH EN W uzhu,ZHAN G Xudong,R EN J ialie,et al .Study on w elding model transiti on and stability of w elding p rocess in laser w elding [J ].Ch inese J ou rnal of L asers .1996,23(7):657661.(in Chinese )94清华大学学报(自然科学版)2002,42(4)。