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光谱学与光谱分析 2014年第5期34卷 1153-1157页

作者：张勇陈根余周聪邓辉徐建波周兴才湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室湖南长沙410082

为了研究辅助侧吹氩气对光纤激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮等离子体的影响,利用高速摄像机拍摄不同侧吹工艺参数下等离子体空间膨胀形态,结果表明:氩气降低了等离子体的膨胀高度,随着压力增加,等离子体的膨胀距离减小,等离子抑制作用增... 详细信息

为了研究辅助侧吹氩气对光纤激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮等离子体的影响,利用高速摄像机拍摄不同侧吹工艺参数下等离子体空间膨胀形态,结果表明:氩气降低了等离子体的膨胀高度,随着压力增加,等离子体的膨胀距离减小,等离子抑制作用增强。利用光谱仪研究了等离子体发射光谱在砂轮径向上的最大值随氩气压力的变化情况,并根据Boltzmann斜线法和Stark展宽法,计算不同氩气压力下等离子体在砂轮径向上电子温度和电子数密度的最大值,结果表明:气体压力增大,等离子体光谱线强度先增大后减小,等离子体光谱线强度在0.2MPa时达到峰值,较大的氩气压力明显降低等离子体电子温度和电子数密度,从而减小对砂轮表面形貌的影响。利用超景深三维扫描仪观测添加侧吹气体前后砂轮表面形貌,结果表明:0.5MPa侧吹氩气后,砂轮表面形貌质量明显优于未添加侧吹气体时。

关键词：光谱学激光修锐侧吹气体等离子体电子温度电子数密度

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侧吹气体对光致等离子体结构和屏蔽效应的影响

侧吹气体对光致等离子体结构和屏蔽效应的影响

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作者：王永贵上海交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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细管径侧吹气体对光纤激光中厚板焊接过程及成形的影响

细管径侧吹气体对光纤激光中厚板焊接过程及成形的影响

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作者：邢孟琪上海交通大学

学位级别：硕士

SUS 304不锈钢是常见的奥氏体不锈钢,在船舶、航空航天、核电等行业中有广泛应用。激光焊以焊接速度快、热影响区小、高深宽比、精确控制等优点被广泛使用。由于中厚板焊接过程中能量的传输与物质交换过程复杂,易产生缺陷。为了增加熔深... 详细信息

SUS 304不锈钢是常见的奥氏体不锈钢,在船舶、航空航天、核电等行业中有广泛应用。激光焊以焊接速度快、热影响区小、高深宽比、精确控制等优点被广泛使用。由于中厚板焊接过程中能量的传输与物质交换过程复杂,易产生缺陷。为了增加熔深,改善焊缝成形,本文采用内径为2mm的喷嘴对8mm厚的SUS 304不锈钢板光纤激光焊接的光斑中心进行吹气,研究细管径侧吹气体对光纤激光中厚板焊接过程及成形的影响。此外,利用高速摄影相机对焊接过程中熔池、匙孔、金属蒸汽以及匙孔内壁的行为进行观察,从而研究细管径侧吹气体对焊缝成形及熔深的影响机理。对SUS 304不锈钢光纤激光焊的金属蒸汽进行了光谱采集分析,发现外加氩气或者氮气作为侧吹气体,或者无外加侧吹气体,所得光谱中谱线强度较高的波长范围为500-700nm,波长大于800nm的谱线强度较低。故选用810nm波长功率高达500W的背景激光光源与中心波长为810nm带宽为10nm的滤波片,可以有效过滤掉金属蒸汽光辐射的影响,较为清楚的捕捉焊接过程中熔池与匙孔以及匙孔内壁行为的影像。在进行了氩气与氮气的对比试验之后可以发现,在焊接过程中,使用氩气作为细管径侧吹气体比起使用氮气,匙孔开闭频率更低,使用氩气得到的焊缝比使用氮气所得到的焊缝飞溅更少,宏观成形更均匀,焊缝熔深更大,故使用氩气作为细管径侧吹气体更符合本文的目的。使用氩气作为细管径侧吹气体时,在三种试验的焊速下,焊缝熔深均随着细管径侧吹气体流量增大而增大,当细管径侧吹气体流量为10L/min时,获得熔深最大且成形良好的焊缝。通过匙孔深度实时拍摄观测试验研究可以发现,匙孔深度随着细管径侧吹气体流量增大而增加。当金属蒸汽高度较高时,对应的匙孔深度较浅,而当金属蒸汽被压制时,匙孔深度较深。压制金属蒸汽高度与面积,对焊缝熔深的增大有利。对焊接过程中针对熔池匙孔拍摄的高速摄影视频进行了分析,发现熔池面积、熔池长度、匙孔面积以及匙孔宽度均随着细管径侧吹气体流量增大而增家。外加细管径侧吹气体,可以明显减小匙孔的开闭频率,从而减少金属飞溅,提高焊缝宏观成形质量。而当细管径侧吹气体流量过大时,会把熔池中的液态金属挤压到熔池之外,从而造成焊缝不成形。通过GG17玻璃与SUS 304不锈钢的拼接焊,配合背景激光光源使用高速相机对匙孔内壁行为进行观察,发现匙孔深度随着细管径侧吹气体流量增大而增加。此外,匙孔前壁有所倾斜,匙孔前壁金属液化后有向熔池底部流动的趋势。匙孔后壁随着细管径侧吹气体流量的增大而产生不同程度的凸起与形变状态。对焊接过程中针对金属蒸汽拍摄的高速摄影视频进行了分析,发现金属蒸汽的面积与高度均随着细管径侧吹气体流量增加而减小。当细管径侧吹气体流量为0或5L/min,金属蒸汽的面积与高度变化不大,而当细管径侧吹气体流量为10L/min,金属蒸汽的面积与高度下降颇大,当细管径侧吹气体流量为15或20L/min,金属蒸汽的面积与高度较10L/min时变化不大,故从对金属蒸汽的压制上来看选择10L/min作为细管径侧吹气体的吹气速度为最优选择。

关键词：光纤激光焊高速摄影侧吹气体熔池与金属蒸汽熔深

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细管径侧吹气体流量对光纤激光中厚板焊接的影响

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中国激光 2017年第3期44卷 137-141页

作者：邢孟琪李铸国孙军浩张旺上海交通大学材料科学与工程学院上海市激光制造与表面改性重点实验室上海200240 液化空气(中国)研发有限公司上海200233

在细管径侧吹气体的辅助下,对SUS 304不锈钢试样进行了光纤激光焊接,使用高速摄影设备配合背景激光光源对匙孔、熔池以及金属蒸气的行为进行了观察,并对焊缝熔深和焊缝成形进行了分析。结果表明:在激光功率、焊接速度、离焦量、喷嘴位... 详细信息

在细管径侧吹气体的辅助下,对SUS 304不锈钢试样进行了光纤激光焊接,使用高速摄影设备配合背景激光光源对匙孔、熔池以及金属蒸气的行为进行了观察,并对焊缝熔深和焊缝成形进行了分析。结果表明:在激光功率、焊接速度、离焦量、喷嘴位置与角度等参数一定的情况下,焊缝熔深随着细管径侧吹气体流量的增大而增加。细管径侧吹气体可以明显打开匙孔并维持匙孔稳定性,并扩大熔池面积。气体流量大小对焊缝成形有较大影响。当无细管径侧吹气体时,飞溅较大,焊缝成形均匀;当气体流量较小时,飞溅较小,且焊缝成形均匀;当气流量过大时,飞溅较小,但焊缝成形较差。

关键词：激光加工光纤激光焊接侧吹气体高速摄影熔池与金属蒸气熔深

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侧吹气流方向对大功率CO_2激光焊缝成形的影响

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热加工工艺 2007年第19期36卷 23-25页

作者：李国华贾时君 Douglas Steyer Kevin B Albaugh 吴毅雄上海交通大学焊接研究所上海200030 普莱克斯亚洲投资有限公司上海200120

激光深熔焊过程中会在熔池上方产生等离子体云,若该等离子体云过密,将降低激光入射到工件表面能量密度。在工业应用中,常采用侧吹辅助气体来减弱等离子体云的影响。本文通过试验,研究了在不同气体流量下。侧吹气体方向不同对焊接过程稳... 详细信息

激光深熔焊过程中会在熔池上方产生等离子体云,若该等离子体云过密,将降低激光入射到工件表面能量密度。在工业应用中,常采用侧吹辅助气体来减弱等离子体云的影响。本文通过试验,研究了在不同气体流量下。侧吹气体方向不同对焊接过程稳定性和焊缝成形的影响。结果发现:使用大功率CO_2激光焊接AH32时,侧吹气体方向对焊缝成形有着明显的影响。从熔池和等离子体两个方面,解释了侧吹气体方向的影响机制。

关键词：激光焊接侧吹气体焊接稳定性焊缝成形

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光纤激光修锐青铜金刚石砂轮的等离子体研究

光纤激光修锐青铜金刚石砂轮的等离子体研究

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作者：徐建波湖南大学

学位级别：硕士

青铜结合剂金刚石砂轮是超硬磨料砂轮的一种，具有异常优异的磨削性能，但因其修整困难，特别是修锐过程，限制了其优异性能的发挥。超硬磨料砂轮的修整已成为国内外研究的热点同时也是迄今未解决的难点。基于材料与激光相互作用热效应... 详细信息

青铜结合剂金刚石砂轮是超硬磨料砂轮的一种，具有异常优异的磨削性能，但因其修整困难，特别是修锐过程，限制了其优异性能的发挥。超硬磨料砂轮的修整已成为国内外研究的热点同时也是迄今未解决的难点。基于材料与激光相互作用热效应的激光修整是一种新兴的修整方法，具有适应范围广、能实现选择性去除等优点，但仍有许多难点亟待解决。本文以青铜金刚石砂轮实验对象，以光纤激光器的脉冲激光为修整“刀具”，对激光修锐青铜金刚石砂轮等离子体进行了研究。首先，设计了用于砂轮修锐的光纤激光修锐实验系统并详细叙述了该系统的设计原理，深入地分析了该系统各部分的功能特点，并对该系统的使用与操作方法进行了简要介绍。其次，对等离子体发射光谱法进行了详细的阐述，并搭建了用于发射光谱法实验的多通道光谱信号采集系统，在激光修锐实验过程中利用该系统采集光致等离子体光谱信号。再次，在所搭建的实验平台上，采用等离子体发射光谱法对激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体的特性进行了研究，包括：等离子体空间分辨、谱线相对强度与激光参数（激光平均功率和脉冲频率）的关系、等离子体温度空间分布以及温度与激光参数的关系、等离子体电子密度空间分辨以及电子密度与激光参数的关系、等离子体逆韧致吸收系数的空间分布。最后，在修锐过程中添加侧吹氩气，深入研究气体压力对等离子体特性的影响，主要包括气体压力对等离子体空间膨胀形态、谱线相对强度、等离子体温度以及电子密度的影响。结果表明，侧吹气体对激光修锐青铜金刚石砂轮过程中的等离子体有明显的抑制作用。分析修锐后的砂轮表面形貌发现，添加侧吹氩气后形貌要明显优于未添加侧吹氩气时的形貌。

关键词：激光修锐系统青铜金刚石砂轮光纤激光器发射光谱法等离子体侧吹气体

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