侧吹气体对光致等离子体结构和屏蔽效应的影响

作     者：王永贵 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡艳;孙大为

授予年度：2014年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：高功率CO2激光 光致等离子体 三维重建 三维温度场 侧吹气体 

摘      要：在高功率CO2激光焊接中，激光光致等离子体一个不可避免的重要物理现象。等离子体的出现会极大地影响激光和材料之间的能量传输，导致焊接过程不稳定，降低激光能量效率等，引起焊接质量下降。其机理包括热传效应、散射效应、反冲力效应、折射效应、吸收效应等[1]，其中吸收效应和折射效应影响较为显著。为了抑制等离子体对焊接的负面影响，一种广泛使用而且简单有效的方法就是加入侧吹保护气体[2]。 温度是描述等离子体状态的重要参量。目前有光谱法、激光探针等多种方法，都只能测定局部点的温度。测量等离子体三维温度的方法和研究却很少[3,4]，其中绝大部分都是在假设等离子体是柱对称的条件下采用阿贝尔逆变换来进行计算。实际的等离子体都存在不同程度的不对称性，有时候会因为倾角、剧烈的不稳定性而严重偏离柱对称[5]。 目前，针对高功率激光焊接，有很多研究者利用光谱法、高速摄影灯手段研究了等离子体的折射效应和吸收作用[6-9]。 本文提供了一种创新的方法，能够通过三维重建的方法获得等离子体的三维温度场分布。在实验中，侧吹气体的角度、高度保持不变，使用纯He气体，仅改变侧吹气体的流量。在焊接等离子体所在位置的正面、侧面、斜上方三个方位架设了两组共6个CCD相机。两组相机分别配有670nm和587nm的滤光片。两组相机严格同步拍摄，可以分别得到等离子体的两种波长的谱线在三个方向上的二维投影。采用基于中心投影模型的代数迭代法可以重建出等离子体谱线强度在三维空间的分布，利用相对谱强度法可以计算等离子体温度和电子密度的三维分布。最后，在三维重建结果的基础上，计算了等离子体的特征参数和吸收系数，并分析其与侧吹气体之间的规律。 结果表明，等离子体电子温度和电子密度都呈现中心高周围低的分布特点。当侧吹气体流量改变时，等离子体的温度场中各个温度区域的大小比例也会随之变化。He气流量越大，等离子体体积越小，温度也更低，高温区的分布更加集中，对激光的吸收作用也更小。