激光诱导电弧增材制造过程能量定向传输机制研究

摘要

电弧作为金属增材制造单一热源时，由于电弧稳定性较差，熔池的可控性也较差，容易产生熔池金属外溢及沉积结构坍塌等缺陷，影响增材制造构件的成形质量。而激光诱导电弧形成的复合热源综合了激光与电弧各自的优点，弥补了电弧增材制造过程中的不足。但是目前对激光诱导电弧能量传输机理认识的缺乏限制了该复合热源在实际增材制造工艺中的应用。本文主要针对铝合金材料建立了激光诱导电弧增材制造实验系统，对增材制造过程中的电信号及电弧形态等特征信息进行了同步采集，研究了激光对电弧熔滴过渡形式的影响，计算并分析了激光诱导电弧耦合等离子体的电子温度及电子密度数特征，最后探讨了激光诱导电弧能量定向传输机制。　　研究结果表明，激光诱导非脉冲MIG电弧时，其短路过渡频率相比于单电弧有所降低，但是电弧电信号波形更加均匀。当激光诱导脉冲MIG电弧时，发现激光能量能够减少不稳定的熔滴瞬时短路现象发生，并且随着激光功率的增加，这种不稳定的熔滴过渡现象得到有效抑制，同时增材制造沉积层的表面成形质量也得到了一定程度的改善。通过计算激光诱导电弧耦合等离子体物理参数特征发现，耦合等离子体电子温度在电弧功率较小时相比于单电弧更大，当电弧功率增加到一定程度时，耦合等离子体电子温度变化不明显。另外，通过改变脉冲激光输出能量发现，耦合等离子体电子温度及电子密度数都是随着激光峰值功率的增大而增大。当固定单脉冲激光能量时，电子温度及电子密度数都是随着激光脉冲宽度的增加而降低。改变热源间距发现，耦合等离子体电子温度和电子密度数都是随着热源间距的增加先升高后降低。通过高速摄像及电信号同步采集发现，激光的加入能够提高电弧起弧时一次成功的可能性，并且在脉冲激光作用期间明显改变了电弧能量传输的方向，电弧弧根部分偏向于激光作用点，电弧导电通道受到一定程度的压缩，表现出电弧能量传输的定向特征。最终通过对激光诱导电弧能量传输的方向性以及耦合等离子体物理参数特征的研究，建立了激光诱导电弧物理导电模型，认为激光诱导电弧能量定向传输的主要原因在于激光能量破坏了金属母材表面的氧化膜，为电弧提供了稳定的阴极斑点，并且激光致等离子体中的带电粒子参与了电弧的导电，使电弧燃烧更加稳定。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 铝合金增材制造技术研究现状

1.2.1铝合金SLM制造技术

1.2.2铝合金WAAM制造技术

1.2.3激光-电弧复合增材制造

1.3 激光与电弧复合理论研究现状

1.3.1激光对电弧能量传输作用研究现状

1.3.2电弧对激光能量传输影响研究现状

1.3.3激光与电弧复合物理特性检测方法研究现状

1.4 课题主要研究内容

2实验系统、材料及方法

2.1. 1激光器

2.1.2全数字化MIG焊机

2.1.3实验平台

2.2激光诱导电弧增材制造过程信息检测分析系统

2.2.1电信号多路同步采集系统

2.2.2高速摄像系统

2.3 实验材料

2.4 实验方法

2.5 本章小结

3 激光诱导电弧熔滴过渡行为

3.1 激光对非脉冲电弧短路过渡的影响

3.1.1 非脉冲电弧短路过渡分析

3.1.2 激光诱导电弧短路过渡分析

3.1. 3 激光对短路过渡电弧增材制造成形的影响

3.2 激光对脉冲电弧熔滴过渡的影响

3.2.1脉冲电弧主要熔滴过渡形式

3.2.2脉冲电弧熔滴过渡分析

3.2.3激光对脉冲电弧熔滴过渡电信号的影响

3.2.4激光对脉冲过渡电弧增材制造成形的影响

3.3本章小结

4 激光诱导电弧能量传输物理特征

4.1 等离子体物理特征参数计算原理

4.2 相位匹配对耦合等离子体电子温度和电子密度的影响

4.3 电弧能量对等离子体电子温度的影响

4.4 激光能量对等离子体电子温度和电子密度的影响

4.4.1激光脉冲宽度对耦合等离子体电子温度和电子密度的影响

4.4.2激光峰值功率对耦合等离子体电子温度和电子密度的影响

4.5 光丝间距对电子温度和电子密度的影响

4.6 本章小结

5 激光诱导电弧能量传输作用机制分析

5.1激光诱导电弧等离子体行为特征研究

5.1.1激光对电弧起弧阶段的作用

5.1.2激光诱导电弧能量定向传输特征

5.2激光诱导电弧能量定向传输机理分析

5.3激光诱导电弧增材制造过程稳定性分析

5.3.1参量选取及计算方法

5.3.2计算结果及分析

5.4 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