激光焊接典型航空材料金属蒸汽/等离子体特征

摘要

激光焊接技术由于其能量密度高、热影响区小、焊接变形小、焊接速度高等突出的优点，在航空航天、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域都有重要的应用。激光深熔焊接时，金属材料对激光的吸收可以高达80％以上，焊接效率也急剧增大，因此深熔焊接是比较理想的焊接状态。激光深熔焊接最显著的特征就是小孔和等离子体的产生。等离子体是激光焊缝缺陷如未穿透、气孔、成分变化等一个潜在的根源。但是，它的存在也提供了一种有用的对焊接条件监测的方法，它能被光和光谱传感器进行采样分析。分析从等离子体辐射中获得的光谱分量可以得到等离子体的重要物理特征。 本文以三种典型航空材料：铝锂合金5A90、钛合金TA15和不锈钢SUS304为研究载体，分别对其YAG激光焊接、CO2激光焊接以及YAG-MIG激光电弧复合焊过程中所产生金属蒸汽/等离子体进行研究。利用光谱仪对焊接过程进行光谱监测，获得了这些典型航空材料在不同激光焊接过程中金属蒸汽/等离子体的光谱分布特征，在此基础上，利用光谱相对强度法计算获得了各种工艺条件下金属蒸汽/等离子体的温度及电子密度，并对工艺参数、激光波长等对它的影响进行了深入的探讨。 针对铝锂合金5A90主要对比研究了YAG激光焊接、MIG电弧焊接以及YAG-MIG激光电弧复合焊接三种焊接方法时金属蒸汽/等离子体的光谱分布特征，以及温度和电子密度的变化特点。研究结果表明，铝锂合金5A90在单激光焊接、单电弧焊接以及复合焊接热源下光谱分布特征均有较大不同。复合焊接中等离子体的平均温度在6554K左右，与MIG电弧焊接比较接近，而比YAG激光焊接中高出1200K左右；平均的电子密度在2.7×1012cm-3左右，也与MIG电弧焊比较接近，而YAG激光焊时的电子密度在3.9×1014cm-3左右。 针对TA15钛合金，主要研究了波长为1.06微米的YAG激光焊接和波长为10.6微米的CO2激光焊接时，金属蒸汽/等离子体的特征对比。研究表明，YAG激光与CO2激光焊接TA15钛合金光谱分布特征不尽相同。同等工艺参数水平下，CO2激光焊接等离子体温度比YAG激光焊高出1000K左右，电子密度比YAG激光焊高出两个数量级。 针对SUS304不锈钢，得到一组工艺参数下YAG激光焊接中金属蒸汽/等离子体的平均温度为7436K，平均电子密度为1.36X1016(cm-3)：同样激光热输入下CO2激光焊接中金属蒸汽/等离子体的平均温度为7870K，电子密度为2.94X1016(cm-3)。 以上研究结果表明，金属蒸汽/等离子体的温度和电子密度除了与被焊材料密切相关外，同时也与激光波长及工艺方法相关，但同样工艺方法时，焊接参数对它的影响相对比较小。 本课题所获得的典型航空材料激光及其复合焊接时金属蒸汽/等离子体的相关数据，为激光及其复合焊接的过程研究和工艺研究提供了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1激光焊接概述

1.1.1激光焊接原理及特点简介

1.1.2金属蒸汽/等离子体的产生

1.2光谱分析概述

1.2.1光谱分析原理及分类简介

1.2.2等离子体光谱诊断

1.3典型航空材料简介

1.3.1铝锂合金5A90

1.3.2钛合金TA15

1.3.3 SUS304不锈钢

1.4国内外研究现状

1.5本课题研究背景与主要研究内容

第2章研究方案与研究理论基础

2.1研究方案及技术路线

2.2光谱实验设备的调试与校准

2.3等离子体温度及电子密度的计算方法介绍

2.3.1局部热力学平衡

2.3.2光谱法测量等离子体温度的原理

2.3.3光谱法测量等离子体密度的原理

第3章铝锂合金5A90激光焊接中的金属蒸汽/等离子体特征

3.1单激光焊接

3.1.1光谱分布特征

3.1.2金属蒸汽/等离子体温度及电子密度

3.1.3焊接工艺参数对金属蒸汽/等离子体温度及电子密度的影响

3.2单电弧焊接

3.2.1光谱分布特征

3.2.2焊接工艺参数对金属蒸汽/等离子体温度及电子密度的影响

3.3 YAG-MIG激光电弧复合焊接

3.3.1光谱分布特征

3.3.2焊接工艺参数对金属蒸汽/等离子体温度及电子密度的影响

3.4不同焊接方法对金属蒸汽/等离子体特征的影响

3.4.1不同焊接方法对光谱分布特征的影响

3.4.2不同焊接方法对金属蒸汽/等离子体温度及电子密度的影响

3.5本章小结

第4章 钛合金TA15激光焊接中金属蒸汽/等离子体的特征研究

4.1 YAG激光焊接钛合金TA15

4.1.1光谱分布特征

4.1.2焊接工艺参数对金属蒸汽/等离子体温度及电子密度的影响

4.2 CO2激光焊接钛合金TA15

4.2.1光谱分布特征

4.2.2金属蒸汽/等离子体温度及电子密度

4.3本章小结

第5章不锈钢SUS304激光焊接中的金属蒸汽/等离子体的特征

5.1 YAG激光焊接SUS304不锈钢

5.1.1光谱分布特征

5.1.2焊接工艺参数对金属蒸汽/等离子体温度及电子密度的影响

5.2 CO2激光焊接SUS304不锈钢

5.2.1特征光谱分布

5.2.2金属蒸汽/等离子体的温度及电子密度

5.3本章小结

第6章结论与展望

6.1论文结论

6.2工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文