激光维持燃烧波对激光TIG复合热源影响研究学习体会

文献概况与研究意义

本文出自哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，发表于2003年《哈尔滨工业大学学报》第35卷第6期，页码695至697。研究通过CCD监测激光-TIG复合热源焊接过程，深入研究了激光维持燃烧波（LSC）的形成机理及其对激光-TIG复合热源的影响。

激光-TIG复合焊接是一种将激光焊接和TIG电弧焊接相结合的复合热源焊接方法，兼具激光焊接的高能量密度和TIG焊接的良好熔池控制能力。然而，复合热源焊接过程中存在复杂的物理现象，其中激光维持燃烧波（Laser-Sustained Combustion wave, LSC）是影响焊接质量的重要因素。

激光维持燃烧波的形成机理

激光维持燃烧波（LSC）是激光焊接过程中一个特殊的物理现象。当激光功率密度足够高时，激光在保护气体中产生光致等离子体，形成沿激光传播方向扩展的燃烧波。这种燃烧波的本质是激光诱发的等离子体在保护气体中的持续电离和传播。

激光诱发的等离子体可分为两类：

激光-TIG复合焊接过程中，TIG电弧的存在降低了气体电离条件，促进了LSC的形成。这是因为TIG电弧本身已经部分电离了周围气体，降低了激光电离气体的阈值，使得LSC更容易在复合热源环境中形成。

LSC对复合热源焊接的影响

LSC的形成对激光-TIG复合焊接过程产生多方面影响：

1. 激光传输效率变化：LSC等离子体对激光有吸收和散射作用，降低有效到达工件表面的激光功率，影响焊接深度和熔池尺寸。
2. 热输入分布改变：LSC沿激光传播方向扩展，将部分激光能量转化为等离子体热，改变了热输入在焊接区域的空间分布。
3. 保护气体状态变化：LSC的形成改变了保护气体的流动状态和电离程度，可能影响保护效果，增加焊缝氧化风险。
4. 熔池流动影响：LSC产生的等离子体动量传递可能影响熔池内金属流动，改变焊缝成形特征。

CCD监测与实验方法

研究采用CCD（电荷耦合器件）相机监测激光-TIG复合热源焊接过程，这是一种实时、非接触的光学监测方法。通过CCD成像，可以直观观察LSC的形成、发展和传播过程，获取LSC的形态特征和动态行为。

CCD监测的优势在于：

• 实时性好，可捕捉LSC的动态演化过程
• 非接触式测量，不影响焊接过程本身
• 可获取空间分布信息，分析LSC的形态特征
• 可记录全过程，便于后续分析和对比

与工程实践的结合

在激光-TIG复合焊接的实际应用中，LSC现象对焊接质量的影响不容忽视。特别是在高功率激光焊接中，LSC的形成可能导致：

• 焊接深度不稳定，熔深波动增大
• 焊缝成形不规则，出现驼峰或凹陷
• 飞溅增加，影响焊缝表面质量
• 保护效果降低，焊缝氧化或气孔增加

对于钢管焊接而言，激光-TIG复合焊接可用于大口径厚壁管的对接焊。LSC现象对焊接质量的影响需要通过工艺优化来抑制，例如调整激光功率、TIG电流、焊接速度和保护气体流量等参数，控制LSC的形成和强度。

学习心得与启示

本文的研究揭示了激光-TIG复合焊接过程中一个容易被忽视但影响深远的物理现象——激光维持燃烧波。这一研究提醒我们，复合热源焊接并非两种焊接方法的简单叠加，而是存在复杂的物理相互作用。

对于从事复合热源焊接的技术人员而言，理解LSC的形成机理和影响规律具有重要的实践意义。在实际生产中，应通过以下措施控制LSC的负面影响：

• 优化保护气体种类和流量，降低气体电离倾向
• 合理匹配激光功率和TIG电流，避免过度促进LSC形成
• 采用适当的焊接位置，减少LSC对熔池的干扰
• 通过CCD或高速摄影等监测手段，实时监控焊接过程

本文的研究方法——通过光学监测手段研究焊接过程中的物理现象——为焊接科学研究提供了一种有效的实验方法。这种研究方法可推广到其他焊接物理现象的研究中，如等离子体行为、熔池流动可视化等。