坡口约束空间对钛合金激光-MIG复合焊等离子体特性影响的实验研究

摘要

钛合金厚板的焊接技术是制造大型装备厚壁构件时的一个难点。激光电弧复合焊是焊接厚板时的一种常用工艺，利用该工艺焊接厚板时，都需要通过开坡口，多层多道焊的方式实现，坡口的深度变化对激光电弧复合焊的效果具有重要影响，但其规律尚需开展深入研究。 本课题通过设计特殊的阶梯形的试件，阶梯深度按照等差方式逐渐变化，每次变化2mm，在一个焊板上实现了多种不同坡口深度的焊接。利用光谱仪采集坡口中心线上且在坡口底端上方3mm位置的光谱信息，代表等离子体的光谱信息；利用高速摄像机沿焊缝方向拍摄复合等离子体的形貌和熔滴过渡的情况。分析、探究坡口深度的变化对激光-MIG复合焊的影响规律。具体的实验结论如下： （1）随着坡口约束空间的加大，等离子体的温度近似呈线性下降趋势。当等离子体没有被约束时，等离子体的温度最大，为10589K，当坡口深度为20mm时，温度最低，为8587K。其原因是：约束空间加大时，金属蒸汽由坡口散出的速度变慢，金属蒸汽的温度相对于等离子体温度较低，所以坡口越深，测得的等离子体温度就越低；另外，坡口约束空间越大时，熔滴滴落的越慢，熔滴的温度相对等离子体也较低，所以该原因也会造成随着坡口约束空间变大，等离子体温度值逐渐减小。 （2）随着坡口约束空间的加大，电子密度近似呈线性上升趋势。当等离子体没有被约束时，电子密度为1.23×1016cm-3；当坡口深度为20mm时，电子密度为1.43×1016cm-3。其原因是：约束空间越大，坡口内部存在的金属蒸汽就越多，金属蒸汽易电离出自由电子，所以导致坡口约束空间越大，电子密度就越大。 （3）随着坡口约束空间的加大，等离子体的面积近似呈线性下降趋势。当等离子体没有被约束时，面积最大，为25.66mm2；当坡口深度为20mm时，等离子体面积最小，为7.10mm2。其原因是：约束空间增大时，受坡口几何关系的影响，保护气体吹向等离子体的流速就越大，此时保护气体对等离子体的压缩作用就越明显。所以，坡口的约束空间加大时，等离子体的面积逐渐减小。 （4）随着坡口约束空间的加大，熔滴的过渡周期近似呈线性上升趋势。当等离子体没有被约束时，熔滴的过渡周期为70ms，当坡口深度为20mm时，熔滴的过渡周期为121ms。其原因是：坡口越深，金属蒸汽反作用力就越大，对熔滴过渡时的阻碍作用就越明显，导致当坡口的约束空间加大时，熔滴的过渡周期逐渐变大。 （5）随着坡口深度从0增加到20mm，焊缝熔宽从6.7mm逐渐减小到4.5mm，熔深由2mm逐渐增大到3.2mm。其原因是：随着坡口约束空间的加大，电弧铺展的宽度逐渐下降，所以熔宽就逐渐减小；总能量输入一定，等离子体轮廓越小，说明能量越集中，所以随着约束空间的加大，熔宽逐渐减小的同时，熔深逐渐增大。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 钛合金的分类及其焊接性

1.2.1钛合金的分类

1.2.2钛合金的焊接性

1.3激光电弧复合焊的原理及分类

1.4钛合金激光电弧复合焊研究现状：

1.4.1中厚板激光电弧复合焊研究现状

1.4.2 钛合金焊接研究现状

1.5本课题主要研究内容

2 实验平台与研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验主要设备

2.3实验检测系统

2.3.1 光谱信息采集设备和采集系统

2.3.2 高速摄像拍摄设备和拍摄系统

2.4试验过程

2.5本章小结

3 坡口约束空间对等离子温度和电子密度的影响规律

3.1 前言

3.2光谱分析原理和计算方法

3.3坡口约束空间对等离子体温度的影响规律

3.4 坡口约束空间对电子密度的影响规律

3.5 本章小结

4 坡口约束空间对等离子体形貌及熔滴过渡行为的影响规律

4.1前言

4.2坡口约束空间对等离子体形貌的影响规律

4.3坡口约束空间对熔滴过渡行为的影响规律

4.4 本章小结

5 约束空间对焊缝形貌的影响规律

5.1前言

5.2 坡口约束空间对焊缝表面宏观形貌的影响规律

5.3 坡口约束空间对焊缝截面形貌的影响规律

5.3 坡口深度为20mm 厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接

5.3.1实验设计

5.3.2实验结果及分析

5.4本章小结

6 总结

致 谢

参考文献