激光调控微弧热源能量传输作用特征及其影响

摘要

论文建立了激光调控微束等离子弧（微弧）增材制造以及焊接实验平台，基于力学气压传感器建立了热源作用力检测系统，实时检测了不同参数下热源作用力变化曲线，研究了激光调控微弧热源作用下作用力特征。基于热量计原理建立了热吸收检测系统，实时检测了不同参数下热源传热过程，研究了激光调控微弧热源作用下工件热吸收能量特征。基于对激光调控微弧热、力学特征的研究，分析了激光调控微弧对增材制造沉积层宏观成形、焊缝宏观成形以及显微组织的影响。　　研究结果表明，激光调控微弧热源作用力在弧柱中心轴线处达到峰值，并沿径向基本呈对称分布；运用热量计方法检测热循环曲线特征发现，通过积分可以计算出工件热吸收能量。在其它参数一定的情况下，通过改变微弧电流、激光脉冲参数、离焦量以及热源间距发现，微弧电流是改变热吸收特征的主要因素，而微弧电流以及离焦量是改变热源作用力的主要因素。　　通过对比微弧增材制造成形和激光调控微弧增材制造成形试样，发现沉积层组织形态主要包括胞状晶、树枝晶以及等轴晶，而激光调控微弧增材沉积下沉积层出现了大量细晶区；微弧增材沉积下沉积层出现大量气孔，并且基本上都出现在晶界处，而激光调控微弧增材沉积下沉积层几乎不存在气孔。这主要是由于激光对熔池具有强烈的搅拌作用，起到了细化晶粒的作用，同时还有利于熔池内部气孔的逸出，减少了晶界处的气孔量，从而改善了沉积层质量。　　通过结合激光调控微弧热源热、力学特征值，对微弧和激光调控微弧焊接试样进行对比，对不同激光功率调控微弧焊接试样进行对比，以及对不同离焦量下激光调控微弧焊接试样进行对比，对比结果表明，激光调控微弧热源作用力比微弧大得多，相对应的前者焊缝熔深也比后者熔深大；当采用相对较大的激光功率进行调控时，热源作用力峰值明显增大，同时焊缝熔深熔宽增大；当采用不同的离焦量时，热源力学特征值变化规律仍然与焊缝熔深变化规律相吻合。这主要是由于微弧熔池受到激光的冲击作用，达到了振荡熔池，增大焊缝熔深的效果。除此之外，发现靠近焊缝表面区域受微弧热源影响较大，呈现出较大的熔宽；焊缝中下部区域受激光热源影响较大，呈现出较大熔深，表现出典型的激光调控微弧复合焊接传热及成形特征。

目录

声明

1 绪论

1.1 论文选题的意义

1.2 激光-电弧复合热源的国内外研究现状

1.2.1 复合热源焊接工艺特性研究现状

1.2.2 复合热源增材制造工艺特性研究现状

1.2.3 复合热源作用机制研究

1.2.4 复合热源数值模拟研究

1.3 在线检测技术研究现状

1.4 课题研究意义和主要内容

2 激光调控微弧热源实验系统构建

2.1 实验材料及方案设计

2.2 实验系统构建

2.3 热、力学信息检测实验系统

2.3.1 力学信号检测系统

2.3.2 热量计热源检测系统

2.4 微观检测

2.5 本章小结

3 激光调控微弧热源作用的热、力学特征

3.1 热源热、力学基本特征

3.1.1 热源力学作用过程及作用力曲线

3.1.2 热吸收曲线及其特征参数

3.2热吸收特征

3.2.1 等离子弧的影响

3.2.2 激光脉冲参数的影响

3.2.3 离焦量的影响

3.2.4 热源间距的影响

3.3力学特征

3.3.1 等离子弧的作用

3.3.2 激光脉冲参数的作用

3.3.3 离焦量的作用

3.3.4 热源间距的作用

3.4 热源作用机制分析

3.5本章小结

4 激光调控微弧热源增材制造质量特征

4.1 沉积层成形特征

4.2沉积层显微组织分析

4.2.1 显微组织基本特征

4.2.2 热源影响机制分析

4.3 本章小结

5 激光调控微弧焊接质量特征

5.1 焊缝成形特征

5.2 焊缝显微组织分析

5.2.1 焊缝显微组织基本特征

5.2.2 影响机制分析

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果