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Nd_YAG激光_脉冲MAG复合热源焊熔滴过渡分析_吴艳明

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Nd:YAG激光器的热透镜效应及其对激光输出的影响

Nd:YAG激光器的热透镜效应及其对激光输出的影响

Nd：YAG激光器的热透镜效应及其对激光输出的影响
余本海;倪永军;娄国营
【期刊名称】《信阳师范学院学报：自然科学版》
【年(卷),期】2004(17)2
【摘要】对Nd:YAG激光器的热透镜效应进行了分析,给出了实验测量动态热效应的方法.利用矩阵光学的方法,分析了热透镜效应对激光输出功率和光束质量的影响,并计算了两种谐振腔参数下的束腰宽度ω0、远场发散角θ0和模体积V随热焦距f的变化情况.
【总页数】4页(P166-169)
【关键词】Nd:YAG激光器;热透镜效应;光束质量;模体积
【作者】余本海;倪永军;娄国营
【作者单位】信阳师范学院物理电子工程学院;信阳师范学院计算机系;通许一中【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
【相关文献】
1.氪灯侧面泵浦Nd:YAG激光器热透镜效应研究 [J], 张玲;杨少辰;刘欣;刘庆学;何坤娜
2.热透镜效应对固体激光器输出影响研究 [J], 蔡军;张晓娟;徐涛
3.热透镜效应补偿的高功率Nd∶YAG 激光器的优化设计 [J], 吴羽;龙晓莉;焦中兴;何广源;张倩
4.大功率LD抽运Nd:YVO4激光器热透镜效应对输出特性的影响 [J], 李健;付殿岭;王衍子;王翠玲;危芹
5.应用折射率负温度系数的固体元件补偿Nd：YAG棒激光器的热透镜效应 [J], Norihiro Takeuchi;Hidetsugu Yoshida;Hajime Okada;韩文杰;董光焰;朱国利
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激光-电弧复合焊接技术研究本科毕业论文

激光-电弧复合焊接技术研究本科毕业论文

编号本科生毕业论文毕业论文中文题目The Subject of Graduation Project学生姓名专业机械设计制造及其自动化学号指导教师学院机电工程学院摘要本文在对激光-电弧复合焊接技术研究现状总结的基础上，对复合热源焊接技术进行了工艺基础及应用的研究。

激光器-MAG焊机进行了复合焊接试验。

本文采用YAG -MAG激光电弧和CO2试验中主要对激光功率、电弧功率及保护气体对熔滴过渡的影响进行了研究。

结果表明：在一定的焊接工艺条件下，焊缝熔深主要由激光功率影响，焊缝熔宽主要由电弧功率影响。

电弧对熔深影响不大，但电弧电流过大时，焊接熔深反而减小，主要是由于电流过大时熔滴过渡方式改变，等离子体和熔滴对激光产生屏蔽和阻碍，使激光能量减弱。

实验数据表明：当激光功率为2.5kW，焊接电流为180A时较为理想；焊接速度在1.2~1.4m/min左右时，焊缝形貌较好，激光与电弧耦合效果最佳，焊缝成形系数较低，熔滴过渡、电信号波形稳定。

关键词：激光-电弧复合焊接等离子体熔滴过度保护气体ABSTRACTIn this paper, on the basis of summarizing hybrid welding technique,aprogram of experimental work was undertaken to investigate the hybridlaser–MAG welding process and its application.This paper uses YAG laser-MAG and COlaser and MAG welding machine to2do the hybrid welding test. The effects of laser power, arc voltage, arccurrent and shielding gas on bead profile and droplet transfer are studied.The results indicate that under certain conditions of welding, the arcpower mainly affects the weld width, the laser power is the main effectof the composite weld penetration. Arc current has little effect on thewelding penetration, but the welding penetration decreaces when arccurrent is too large. Because the plasma and droplet shield serpower is 2.5kW, 180A is the required welding current; the welding speedat 1.2~1.4m / min, so the better appearance is visible. The laser and arccoupling effect is in the best state, weld reinforcement shape coefficientin stability, droplet transfer and the electrical signal are in stability.Key words: laser-arc hybrid welding laser-induced plasma droplettransfershielding gas第一章绪论为了解决传统焊接中遇到的一系列问题，于20世纪80年代初期，英国学者W.M.Steen 首先提出了激光与电弧复合焊接这一全新的焊接形式。

Nd：YAG激光+脉冲GMAW复合热源焊接参数对焊缝熔宽的影响

Nd：YAG激光+脉冲GMAW复合热源焊接参数对焊缝熔宽的影响
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第２ 卷 第９ ７ 期
２０ ０ ６ 年 ９ 月
焊 接 学 报
Ｔ Ａ Ａ Ｔ Ｏ Ｆ Ｔ ＨＩ Ａ ＷＥ ＤＩ Ｇ Ｉ ＴＴ Ｔ Ｏ Ｒ ＮＳ Ｃ Ｉ ＮＳ Ｏ ＨＥ Ｃ Ｎ Ｌ Ｎ ＮＳ Ｉ Ｕ Ｉ Ｎ
ｖ１ ７ Ｎ． 。２ ． 。 ９
激光 焊接 和 Ｇ Ａ 熔化 极 气体保 护焊 ） Ｍ ｗ（ 是两 种 截然 不 同的焊 接工 艺 。作 为 一 种 高 能束 焊 接 方 法 ， 激光 焊接 以高能 密 度 、 速 、 高 高效 、 高精 度 等 良好 的 材料 加工性 能在 工业 中得 到 了较 多应 用 。但 由于激
维普资讯
７ ４
焊 接 学 报
第２ ７卷
中图 分 类 号 ： Ｇ ５ ． Ｔ ４６ ７ 文献标识码 ： Ａ
扬 一 ，
秦 国梁
文 章 编 号 ： ２３— ６ Ｘ ２Ｏ ）９— ７ ０ ０５ ３０ （Ｏ ６０ ０３— ４
０ 序
言
实 现优质 、 高效 、 成本 的焊 接生产 。 低 作为一 种 优质 高 效 的焊 接 方 法 ， 光 ＋Ｇ Ａ 激 Ｍ Ｗ 复合 热 源焊接 具有 广 阔的市场 应用前 景 和很强 的竞
形 大等 不足 。
复合热 源焊 接过程 中焊 接 工 艺参 数 如 电弧 功 率 、 激
光功率 、 焊接 速度 、 丝 间距 、 焦 量 等对 复 合 热 源 光 离 焊缝熔 宽 的影 响并 分 析 了其 影响机 制 。
在激 光 ＋Ｇ Ｗ 复 合 热源 焊 接 过程 中 ， 以通 ＭＡ 可
试验 用 激光器 为 额定 功 率 ２ｋ 的 Ｎ ： Ａ 固 Ｗ ｄＹ Ｇ
体 激光 器 ， 出波 长为 １０ 输 ．６ 的连续 波 激光 ， 由内

高功率高光束质量脉冲Nd: YAG激光器

高功率高光束质量脉冲Nd: YAG激光器

高功率高光束质量脉冲Nd： YAG激光器王宝华;李强;姜梦华;惠勇凌;雷訇【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2009(21)5【摘要】以实现高功率、高光束质量的脉冲激光输出为目的,对非对称平-凹谐振腔的结构进行了理论分析.设计出了高功率、高光束质量非对称放置的平-凹谐振腔、双氙灯泵浦的脉冲Nd: YAG激光器.当占空比为9%时,实现输出激光平均功率近480 W,光束参数积优于12.7 mm*mrad,电光转化效率近4%,与理论分析吻合,可用芯径300 μm的光纤传输,不稳定性优于±1%.加工实验证明有较好的质量:切割材料为不锈钢,厚度为3 mm时、切割速度为0.6 m/min和厚度为1.5 mm、切割速度为1.2 m/min时,两种情况下所得切缝宽度均为250 μm,且切割上下沿光滑.【总页数】4页(P663-666)【作者】王宝华;李强;姜梦华;惠勇凌;雷訇【作者单位】北京工业大学,激光工程研究院,北京100124;北京工业大学,激光工程研究院,北京100124;北京工业大学,激光工程研究院,北京100124;北京工业大学,激光工程研究院,北京100124;北京工业大学,激光工程研究院,北京100124【正文语种】中文【中图分类】TN248.1【相关文献】1.高功率高光束质量CO2激光金刚石工具焊接设备中高光束质量的获得以及光束转换和聚焦 [J], 陈培锋;梁军;邹小斌2.高功率紫外超短激光脉冲光束质量研究 [J], 苏恒毅;兰小飞;张骥;王雷剑;路建新;汤秀章3.400Hz高光束质量高功率短脉冲激光器 [J], 靳全伟;庞毓;蒋建锋;谭亮;崔玲玲;魏彬;孙殷宏;唐淳4.高功率脉冲Nd：YAG激光器实验研究 [J], 吴福顺;武星5.高功率二倍频、三倍频脉冲Nd：YAG激光器 [J], 邱文法;范畸康;陆祖康因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

ndyag激光—mag复合焊接头设计及研究

ndyag激光—mag复合焊接头设计及研究
堤挡土墙;投入760多万
元完成乡墟立面改造工作。同时,投入3.6万余元对
全乡6个村委会乡村公路
进行养护,保障了群众的
出行安全。
——琼乐高速(XX段)项目征地工作强力推进。
琼乐高速项目是我省的重
点建设项目,我乡应征土
地面积为448.77亩,涉及XX、什统、南平、便文
4个村委会,共计95户群众,战线长、任务重、压
式加强了对他们的培养,夯实了第八届村级组织换届选举工作基础。
——深入基层,全面贯彻“四联三问”活动。按照县的统一部署,全乡干部积极开展帮扶工作,乡领导班子每人帮扶一户困难党员和一户困难群众,共结对帮扶困难户18户;其它干部按驻点村庄分别帮扶减贫户76户;村两委干部帮扶困难户24户。
——狠抓作风建设,
的政策和农村实用技术培训。四是充分利用农村两委干部大中专班、新农村建设指导员培训班、中青年干部培训渠道,组织党员干部参加培训。
——加强基层党组织建设,提升为民服务水平。一是突出抓好“两委”班子建设。坚持执行“四议两公开”、“三会一课”等工作制度,注重提升村“两委”班子的战斗力和凝聚力,着力打造一支想
事、谋事、干事的干部队伍。二是严格执行乡领导干部驻点制度。要求乡驻点领导干部每周至少下村
2次,现场解决存在问题,切实有效的解决了联系服务群众“最后一公里”问题。三是在什统村委会设立村级便民服务示范站点,配备了相应的人员和设备,以创建“便民服务型”党组织为目标,充分发挥好便民利民的作用,并把便民服务站的运作与党员驿
3宗,治安案件7起,已查处7起。
——信访维稳工作进一步强化。全年接待群众来信来访10起,成功调处8起,立案调查1起,未发生集体越级上访事件。同时,进一步加强宣传动员工作,在学校、幼儿园及周边环境开组开展织消防安全和食品安全检查

大功率声光调Q Nd：YAG激光器的开题报告

大功率声光调Q Nd：YAG激光器的开题报告

大功率声光调Q Nd：YAG激光器的开题报告1. 概述声光调Q Nd：YAG激光器是一种高功率激光器，其工作原理是通过碘分子的声光调Q效应实现脉冲放大。

该激光器的主要应用领域包括材料加工、医疗、通信等多个领域。

2. 研究目的本次研究旨在探究声光调Q Nd：YAG激光器的原理、性能及其工艺参数优化方法，通过实验验证其在不同领域的应用效果，为该激光器在工业和医疗领域的应用提供重要参考。

3. 研究方法（1）理论研究：通过对声光调Q Nd：YAG激光器原理、工作方式以及优化策略的深入研究，获取相关理论知识。

（2）实验研究：通过采用实验方法，构建声光调Q Nd：YAG激光器实验平台，研究其在不同参数下的输出功率、脉宽、重复频率等性能，并对其在材料加工、医疗等领域的应用效果进行评估。

4. 研究内容（1）声光调Q Nd：YAG激光器的理论原理和工作方式研究。

（2）声光调Q Nd：YAG激光器的工艺参数优化研究。

（3）声光调Q Nd：YAG激光器在不同领域的应用效果研究。

（4）声光调Q Nd：YAG激光器输出光束的稳定性和均匀性研究。

（5）声光调Q Nd：YAG激光器的性能比较和分析研究。

5. 预期成果（1）深入了解声光调Q Nd：YAG激光器的工作原理及发展趋势。

（2）建立声光调Q Nd：YAG激光器的实验平台，获取其在不同领域的应用效果数据。

（3）制定声光调Q Nd：YAG激光器的优化参数策略。

（4）掌握声光调Q Nd：YAG激光器的性能比较和分析方法。

（5）提出声光调Q Nd：YAG激光器在工业和医疗领域的应用建议。

6. 时间安排阶段一：2022年3月—2022年5月通过文献调研和实验设计，完成声光调Q Nd：YAG激光器的原理及工作方式研究，制定实验方案。

阶段二：2022年6月—2022年8月开展声光调Q Nd：YAG激光器实验研究，探究其在不同领域的应用效果，获取相关数据并分析。

阶段三：2022年9月—2022年11月基于实验数据，制定声光调Q Nd：YAG激光器的优化策略，提出其在工业和医疗领域的应用建议。

Nd：YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接参数对焊缝熔深的影响

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第４ ３卷第 １ 期
机
械
工
程
学
报
Ｖｏ ． １ ４３
Ｊ ｎ ０ 年 １ 月 ０７
ＣＨＩ ＮＥＳ Ｊ Ｅ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＣＨＡＮＩ Ｍ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＥＥＲＩ Ｎ ＮＧ
Ｎ ：Ｙ Ｇ 激光＋ ｄ Ａ 脉冲 ＭＡＧ 电弧 复合热源 焊 接 参 数 对 焊 缝熔 深 的影 响
装 配误 差变化 的适 应性 ， 降低 对 工件装 配误 差 的要
光＋ 冲 ＭＡＧ 电弧复 合热 源焊 接参 数 ，如 电弧 功 脉
率 、激光 功率 、焊接 速 度 、光 丝 间距 和离 焦量等 对
焊缝 熔深 的影 响 。
１ 试 验 条 件及 试 验方 法
１１ 试验 条件 ．
求 ；而激 光束 则可 在熔池 中产生 小孔 ，保证 在高速 焊 接 条 件 下 获 得 理 想 的 焊 缝 熔 深 和 规 则 的 焊 缝 成 形 【 。激 光＋ ｌ 电弧 复合热 源焊 接 以较低 激光 功率 与 低 成本 电弧 复合获 得与 大功 率激 光焊接 条件 下相 当 的焊缝 熔深 ，而激 光功 率 降低则 可 以节能 、 降低 初 始 投资 和 生产成本 。另外 ，激光 ＋ Ｊ 电弧 复合热 源焊
机
械
工
程
学
报
黄 ４ 卷第 １ ３ 期
条 件 Ｆ测 量 每 组焊 接 参 数下 的 复合 热 源 焊缝 熔 深
深 明 显大 于 脉 冲 ＭＡＧ 焊 缝 熔 深 在 脉 冲 ＭＡＧ 焊
以此研究复合热源焊接 参数对焊缝熔深 的影响
接过程 中，高能激光束 的加入能蝣有效增加焊缝熔 深 ，并且在 小功率 电弧下 比在大功率 电弧下对焊缝 熔深 影响大 的多 焊缝熔深在大功率 电弧下可增加 ３ ％，而在小功率电弧下可增深达 ８倍甚至 ｌ 倍 ０ ０

对撞脉冲锁模Nd:YAG激光器性能的改善和调整方法

对撞脉冲锁模Nd：YAG激光器性能的改善和调整方法王文耀;高福源;陈淑琴
【期刊名称】《激光杂志》
【年(卷),期】1991(12)5
【摘要】本文依据锁模脉冲列的耦合效应,给出了改善对撞脉冲锁模激光器性能的措施。

同时介绍用光栅取样倍频法脉宽仪调整对撞脉冲锁模Nd:YAG激光器的方法。

【总页数】4页(P230-233)
【关键词】Nd:YAG激光器;脉冲锁模;调整法
【作者】王文耀;高福源;陈淑琴
【作者单位】中国科学院上海光机所
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.13
【相关文献】
1.用于ND：YAG锁模激光器单脉冲切取的高压脉冲发生器 [J], 柴明;李晓毅
2.非稳腔对撞脉冲锁模YAG激光器输出耦合的研究 [J], 王加贤;张文珍
3.用于标定条纹相机的对撞脉冲锁模激光器 [J], 王俊峰;雷晓红;吴丽娜;田进寿;张户昌;党利宏
4.对撞脉冲锁模Nd：YAG激光器线宽的研究 [J], 任友来;阎兴隆;杨鸿儒
5.利用皮秒扫描相机研究对撞脉冲锁模Nd:YAG激光器的输出特性 [J], 杨鸿儒;常增虎;牛丽宏;龚美霞
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Nd：YAG 激光+ 脉冲GMAW 复合热源焊接参数对焊缝熔宽的影响


将这两种焊接工艺有机地结合起来， 可以扬长避短，
收稿日期： !""# $ %" $ &%
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焊9 接9 学9 报
第 *? 卷
化电源， 工作模式为脉冲， 熔滴过渡频率为 ! 滴 " 脉 冲。复合方式为激光在前， 电弧在后； 保护气为 #$ % !&’ ()* 。通用的试验参数如表 ! 所示。
表 !" 试验参数 #$%&’ !" ()*’+,-’./$& *$+$-’/’+0
［ !］ 形 。因此激光焊接和 .0-1 具有很强的互补性，
%’ 试验条件及试验方法
)* )+ 试验条件 试验用激光器为额定功率 ! ;1 的 *+： ,-. 固 体激光器， 输出波长为 %5 "4 !: 的连续波激光， 由 内径为 "5 4 :: 的光纤传输， 聚焦透镜焦距为 !"" ::， 焦点直径为 "5 4 ::。脉冲 .0-1 电源为数字
在试验中发现， 当光丝间距超过 8 -- 后脉冲 !"#$ 和 ’(： )#! 激光形成的焊缝与光丝间距小 于 8 -- 时， ’(： )#! 激光 * 脉冲 !"#$ 复合热源 焊接形成的一体化焊缝有明显的区别。因而可以判 定在光丝间距超过 8 -- 后， 复合热源焊接已经分 成脉冲 !"#$ 和激光焊接两个独立的焊接过程。 但其焊缝熔宽并没有表现出大的变化， 这也说明在 光丝间距变化过程中， 激光对焊缝熔宽的影响不大。 !" 8$ 离焦量对复合热源焊缝熔宽的影响 目前对离焦量符号没有一个统一的定义， 则文 中以激光束传播方向为正方向， 激光束焦点在工件 表面以下时定义离焦量符号为正， 否则为负。 图 8 为 在 激 光 功 率 " . + %5 0 1$ 和 焊 接 速 度 $ + %4 -- 6 7， 两种焊接电流下 ’(： )#! 激光 * 脉冲 !"#$ 复合热源焊缝熔宽随离焦量的变化。从图 中可以看出， 在焊接电流较大时 （ % + %94 # ） 焊缝熔 宽随激光束焦点到工件上表面距离的减小而稍微减 小； 而在较小焊接电流下 （ % + ,&4 #） ， 尽管熔宽的变 化有波动， 但从趋势来说变化不大。这表明离焦量

NdYAG激光+CMT复合热源电弧形态和熔池形貌

2． 1 激光功率对电弧形态的影响 图 1 为焊接电流 I = 150 A，焊接速度 vH = 0． 6
m / min，光丝间距 DLA = 3 mm，离焦量△f = 3 mm，不 同激光功率 YAG + CMT 复合热源焊接的电弧形态． 高速摄 像 记 录 电 弧 图 像 均 在 焊 接 稳 定 时 段 内 完 成，以4 000 帧 / s 记 录 电 弧 图 像 ． 白 实 线 与2 卷
图 1 激光功率对电弧形态的影响 Fig. 1 Arc configurations versus different laser power
点处 为 激 光 入 射 点，在 试 验 中 激 光 作 用 点 不 变． 图 1a 为 CMT 热源焊接时，焊丝开始送进时的电弧 形态，图 1 中 时 间 均 以 开 始 记 录 时 间 为 起 点， 0． 124 000 s 表示距离高速摄像开始记录时间点． 如 图 1 所示，在 CMT 热源焊接中加入激光后，并没有 产生电弧作用区向激光作用点明显偏移的现象，且电 弧根部也没发现明显收缩现象，可见 YAG + CMT 复 合热源焊接中激光对电弧的吸引和压缩作用很弱． 2． 2 激光功率对熔池形貌的影响
激光对电弧形态和熔池形貌的影响主要体现在 激光功率、光丝间距两个焊接工艺参数的变化上，文 中主要通过自行建立的高速摄像系统采集了不同激 光功率和光丝间距下 Nd: YAG 激光 + CMT 电弧复 合热源焊接的电弧和熔池图像，分析了激光功率和 光丝间距分别对电弧形态和熔池形貌的影响．
2 试验结果与分析
第3 2卷 第3期
焊接学报
2 0 1 1 年 3 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
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（ 2） 激光加入后熔滴过渡时，焊丝末端固液界 面及残留金属形态发生改变． Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合焊熔滴过渡时，焊丝末端液态金属呈尖锥 状而且熔滴脱落点在焊丝轴线右下方． 而单 MAG 焊接熔滴过渡时，焊丝末端液态金属的锥度较小且 熔滴脱落点在焊丝轴线的左边． 主要原因为激光加 入后，焊丝末端左侧（ 靠近激光光束的面） 受到激光 引起的热辐射和光致等离子体的加热作用，是被辐 射面稳定比另一侧高，熔化速度加快，且左侧表面液 态高速蒸发，对熔滴产生一定蒸发压力． 所以焊丝 末端液态金属而形成尖锥状且熔滴脱落点在焊丝轴 线右下方．
综上所述，光丝间距是复合焊的熔滴过渡比单 纯 MAG 稳定性的重要因素． Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源平板堆焊的最佳光丝间距为 3 mm．
86
焊接学报
第 32 卷
3 熔滴过渡受力分析
激光的加入改变了熔滴的受力状态． 图 6 为单 MAG（ 富氩保护气） 焊接时熔滴在脱落前的受力模 型． 熔滴主要受重力 Fg，表面张力 Fy，等离子流力 Fp ，电磁力 Fem的共同作用； 另外还受摩擦力 Ff 的作 用； 由于熔池所产生的金属蒸气量很少，所以忽略熔 池金属蒸气产生的对熔滴过渡的反向推力．
模式发生了改变，持一脉一滴（ ODPP） 变为一脉多 滴（ MDPP） ． 熔滴飞行速度提高，熔滴过渡轴向性更 好． 焊接过程稳定无飞溅，相比单 MAG 焊接过程可 能产生少许飞溅． 2． 2 激光功率对熔滴过渡的影响
图 4 为焊接速度 1． 0 m / min，光丝间距 3 mm， 离焦量 － 1 mm（ 焦点在工件表面下 1 mm） ，保护气 体成分 80% Ar + 20% CO2 气体流量 15 L / min，焊接 平均电流为 160 A，平均电压 26． 5 V 条件下激光功 率变化对熔滴脱落后焊丝末端到工件表面的距离的 影响（ 所有值均测于熔滴稳定脱落后 0． 25 ms 且为 20 个测试值得平均值） ．
图 5 光丝间距变化对焊丝末端到工件表面距离的影响 Fig. 5 DLA effect of distance of wire tip to workpiece
图4 Fig. 4
激光功率变化对焊丝末端到工件表面距离的影响 Laser power effect of distance of wire tip and workpiece
（ 3） Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 焊接熔滴过渡 的熔滴飞行速度更快． 如图 2 为熔滴过渡的速度测 量，可见加入激光后熔滴下落的横向速度分量 vx 和 纵向速度分量 vy 都增加了． 主要是因为熔滴在峰值 电流时期脱落，在电流变为基值电流之前的时间段 受到等离子流力的加速作用； 熔滴的落点会更加集 中，图 3 为 1s 之内熔滴落点到焊丝轴线与工件表面 触点的距离，可见激光 － 脉冲 MAG 复合热源的熔 滴落点更加集中，而且更靠近焊丝轴线与工件表面 的触点，因此熔滴过渡的轴线性更好． 图 3 中 SDLA 表示光丝间距．
第3 2卷 第7期
焊接学报
2 0 1 1 年 7 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 2 No． 7
July
2011
Nd：YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源焊熔滴过渡分析
吴艳明， 王 威， 林尚扬， 王旭友
（ 机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所，哈尔滨 150080 ）
由图 5 可以看出，激光加入后，熔滴脱落后焊丝 末端到工件表面的距离比单 MAG 明显提高，弧长 增加明显．
（ 1） 当光丝间距小于 2 mm 时，小孔中喷发出的 金属蒸气羽作用在熔滴的左下方，阻碍熔滴过渡，会 产生大滴过渡，破坏熔滴过渡的稳定性，熔滴常常要 经过两个脉冲才过渡到熔池中，同时还可能产生飞 溅和熔滴向前飘出熔池的现象．
电弧空间的温度，在焊接过程开始阶段加快了焊丝 的熔化速度，使得焊丝弧长增加到一定程度，即激光 提供的能量正好补充了焊丝伸出长度变短、欧姆电 阻热减少能量时，达到新的能量平衡，焊丝末端到工件表面的距离增加，弧长增加． 2． 3 光丝间距对熔滴过渡的影响
相关报道表明，激光致等离子体能引导并稳定 电弧，降低脉冲电弧的起弧电阻［1 － 3］． 然而激光加 入对脉冲 GMA 焊接熔滴过渡的影响，及其影响机 制还缺乏共识． 文中利用高速摄像和电弧分析仪等 试验设备实时拍摄 Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合 热源焊接的熔滴的形成、长大、脱落过程，观测并分 析激光加入对电弧焊熔滴过渡的影响，进而分析激 光对电弧焊熔滴过渡的影响机制．
图 5 为光丝间距 SDLA变化对焊丝末端到工件表 面距离的影响． 试验参数为焊接速度 1． 0 m / min，激 光功率 2 kW，离焦量 － 1 mm，保护气体 80% Ar + 20% CO2 ，流量 15 L / min，焊接平均电流 160 A，电压 26． 5 V，送丝速度 7． 5 m / min． 激光光束在电弧前光 丝间距为正，激光在电弧之后光丝间距为负．
（ 2） 当光丝间距为 3 mm 左右时，激光小孔处产 生的向上喷发的高温金属蒸气从焊丝末端的左侧喷 出，对熔滴过渡的阻碍作用力可忽略不计，熔滴过渡 稳定（ 图 1b） ．
（ 3） 而当光丝间距达到 6 mm 及以上时，热源模 型由激光 － 电弧复合热源转变为激光 － 电弧联合热 源，激光和电弧的耦合作用消失，熔滴过渡行为与单 纯 MAG 焊接很相似，熔滴过渡也比较稳定．
摘 要： 采用高速摄像技术拍摄熔滴形成、长大及脱落的过程，观测并分析激光加入对 电弧焊熔滴过渡的影响． 结果表明，发现激光改变了熔滴的空间飞行轨迹、过渡稳定 性、熔滴过渡模式． 并从熔滴受力角度建立了脉冲 MAG 焊接熔滴力学模型，分析了激 光加入后熔滴受力状态的改变情况． 分析发现复合激光后，脉冲 MAG 熔滴还受到额外 两个力的作用，即激光小孔产生的高速向上喷发的金属蒸气对熔滴过渡的反推力和激 光及光致蒸气等离子体对熔滴的热辐射而使被辐射面的液态熔滴金属高速蒸发而产生 的反推力，这些反推力在光丝间距小于 2 mm，会阻碍熔滴过渡； 并且电磁力的方向偏向 激光小孔． Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源焊接熔滴过渡稳定性受光丝间距、激光 能量、离焦量等参数影响． 关键词： Nd： YAG 激光； 脉冲 MAG 复合热源焊接； 熔滴过渡； 高速摄像； 受力分析 中图分类号： TG115． 28 文献标识码： A 文章编号： 0253 － 360X（2011）07 － 0083 － 04
图 1 激光 － 脉冲 MAG 复合焊接和单 MAG 焊接熔滴过渡 Fig. 1 Droplet transfer of laser-pulsed MAG hybrid weld-
ing and MAG welding
图 2 复合焊和单 MAG 焊接熔滴飞行速度（ 激光功率 2 kW） Fig. 2 Droplet transfer speed of hybrid welding and MAG
80% Ar + 20% CO2 ，气体流量 15 L / min，焊接平均电 流为 160 A，平均电压 26． 5 V． 由图 1 可以看出：
（ 1） 激光加入后，电弧弧长明显增加，且熔滴的 过渡模式改变，由一脉一滴（ ODPP） 变为了一脉多 滴（ MDPP） ． 主要由于加入激光使电弧空间温度升 高，使得焊丝熔化速度增加，焊丝末端液态金属表面 张力降低，导致熔滴在峰值电流时脱落产生 MDPP， 熔滴尺寸降低．
C
Si
Mn
S
P
Cu
焊丝 0． 06 ～ 0． 15 0． 80 ～ 1． 15 1． 40 ～ 1． 85 ≤0． 035 ≤0． 025 ≤0． 50
采用 Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源焊接 进行平板堆焊，来阐述复合焊接过程中激光对电弧 焊熔滴过渡的影响． 为了便于高速摄像，采用焊枪 不动，工作台行走． 试验参数见表 2． 在 Nd： YAG 激
焊丝直径 焊丝伸出长度
激光 － 电弧夹角
过渡模式
焊接材料
/ mm
l / mm
θ（ °）
1． 0
17
一脉一滴
30°
Q235
2 试验结果与分析
2． 1 Nd：YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合焊接碳钢的 焊接特性
图 1 为复合焊中激光加入前后一个脉冲周期熔 滴过渡高速摄像图片． 试验参数为激光功率 2 kW， 焊 接 速 度 1． 0 m / min，光 丝 间 距 3mm，离 焦 量 － 1 mm（ 焦点在工件表面下1 mm） ，保护气体成分
由图 4 可以看出加入激光后，熔滴脱落后焊丝 末端到工件表面的距离 H，比单纯 MAG 明显提高， 由单脉冲 MAG 的 1． 5 mm 增加到 2 mm 以上，弧长 增加明显． 弧长随激光功率的增加而增加，当激光 功率达到 1 200 W 后，弧长基本保持稳定．
加入激光后，激光和激光致金属蒸气羽对焊丝 和熔滴的热辐射，使得焊丝进一步预热并且提高了
收稿日期： 2011 － 01 － 03 基 金 项 目： 国 际 科 技 合 作 项 目 （ 2009DFR50170 ） ； 科 技 重 大 专 项
（ 2009ZX04007 － 031）
试验所使用的激光器为德国 HAAS 公司生产的 HL2006D 型连续输出 Nd： YAG 固体激光器，额定功 率 2 kW，输 出 波 长 为 1． 06 μm，激 光 枪 焦 距 200 mm，光束焦点直径 0． 6 mm，由芯径为 0． 6 mm 的光 纤传输，试验用焊机为奥地利 Fronius 公司生产的 Fronius TPS5000 数字化电源． 高速摄像采集系统采 用 Photron 公司 FastCam Ultima 512 型号高速摄像采 集系统． 拍摄像素为 512 × 256，拍摄速度为 4 000 幅 / s． 保护气为 Ar + CO2 混 合 气 体． 焊 接 材 料 为 Q235 钢（ 200 mm × 40 mm × 10 mm） ，焊丝牌号为 THQ － 50C．