保護條件變化的激光焊接等離子體光譜分析

杜 笑，楊立軍, 2*，劉 桐，焦 嬌，王會超

1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072 2. 天津大學天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300072

保護條件變化的激光焊接等離子體光譜分析

杜 笑1，楊立軍1, 2*，劉 桐1，焦 嬌1，王會超1

1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072 2. 天津大學天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300072

保護氣體在激光焊接過程中起重要的作用，保護條件的改變對焊接質量會有顯著地影響。研究Nd∶YAG激光焊過程中保護條件的變化對激光等離子體的電子溫度和電子密度等特征參數的影響，通過設計分步減小保護氣流量的激光焊試驗進行規(guī)律性研究，通過模擬實際可能發(fā)生的保護不良的激光焊試驗進行驗證性研究。在試驗研究過程中，利用光譜儀采集激光焊接過程中產生的光致等離子體的光譜信息，通過相對光強法計算不同保護條件下等離子體的電子溫度，通過斯塔克展寬機制計算不同保護條件下等離子體的電子密度。研究結果表明，保護條件的改變對Nd∶YAG激光焊接過程中產生的光致等離子體的電子溫度和電子密度有重要影響，隨著保護條件的變化，光致等離子體的電子溫度和電子密度的平均值會發(fā)生變化，其波動幅度也會發(fā)生變化。在保護良好的條件下，等離子體的電子溫度和電子密度均較小，且波動幅度也較??；在保護不良的條件下，等離子體的電子溫度和電子密度都比較大，且波動幅度也比較大，這種變化的特征有助于對激光焊接過程進行質量監(jiān)控。

激光焊；激光等離子體；光譜診斷；電子溫度；電子密度

引 言

激光等離子體的產生是激光焊接過程中重要的物理現象[1]，其與激光的相互作用對激光焊過程有直接的影響。光譜分析是研究等離子體狀態(tài)特征的較好方法，可用于激光焊過程等離子體狀態(tài)的診斷分析，進而探索等離子體中包含的激光焊過程信息所反映的焊接狀態(tài)。

激光等離子體的狀態(tài)變化與激光焊過程密切相關。Kong等認為焊接接頭中存在的缺陷與焊接過程中該缺陷處對應的等離子體電子溫度變化相關[2-3]；Sibillano等指出在CO2激光焊和Nd∶YAG脈沖激光焊接中電子溫度可以反映焊接熔深的大小[4-5]；Konuk等指出保護條件對焊接質量的控制有重要的影響，電子溫度的變化可以用于實時監(jiān)測和控制焊接熔深[6]。這些研究成果利用激光等離子體狀態(tài)變量的檢測對激光焊過程進行監(jiān)控，探索反映焊縫情況和焊接缺陷的等離子體狀態(tài)特征。本文將利用光譜診斷方法，研究Nd∶YAG激光焊過程的等離子體監(jiān)測，探索保護條件變化與等離子體特征參數之間的關系。

1 實驗部分

保護氣體在激光焊接過程中起重要作用，保護條件的改變對焊接質量有顯著影響。分析保護氣體的保護狀態(tài)，基本方法有三種：保護良好、完全無保護和保護不完整(介于前兩者之間)，針對此三種保護條件對激光焊過程的影響，本文設計分步逐漸減小保護氣流量的激光焊試驗，分析研究在基本的保護條件發(fā)生變化時激光等離子體的狀態(tài)變化及其對焊接過程的影響，探索其變化規(guī)律。在此基礎上，模擬實際激光焊接過程中可能會發(fā)生的保護不良條件展開試驗，對試驗結果進行驗證分析。

分步減小氣流量試驗：如圖1所示，從左向右將焊接試板分成4段，長度依次為30，30，50和50 mm，在每個交界點改變保護氣體流量，采用Ar氣保護，從左向右保護氣流量大小依次為20，10，5和0 L·min-1，盡量保證試驗在同一焊接條件下進行。

Fig.1 Schematic of step by step to reduce the shielding gas flow rate test

模擬試驗：設計模擬兩種情況，實際操作中保護氣沒有對準或偏離焊接熔池造成保護不良和實際操作中有外來的氣流擾動。第一種情況通過在焊接過程中，人為使氣流中心偏離焊接中心點約20mm來模擬實際焊接過程中可能出現保護不良的情況，保護氣流量20 L·min-1；第二種情況通過在焊接過程中，外加氣流量大小為20 L·min-1的空氣氣流干擾保護氣流，干擾方向為垂直于保護氣流，保護氣流量20 L·min-1。

試驗采用JK2003SM型Nd∶YAG激光器，最大連續(xù)輸出功率為2 kW，輸出波長為1.06 μm，聚焦鏡頭焦距為160 mm，該鏡頭能夠聚焦的最小光斑直徑為0.6 mm。試驗采用AvaSpec-3648-USB2-RM型光纖光譜儀，測量波長范圍200～800 nm。試驗裝置如圖2。

Fig.2 Experiment device schematic diagram

試驗材料為瑞典SSAB公司生產的Docol DP1000超高強度冷軋態(tài)雙相鋼板，板厚為1.5 mm。焊接方式為對接，焊接輸出模式采用連續(xù)波，激光功率為1 500 W，離焦量為-1 mm，焊接速度為6 mm·s-1。焊接過程中利用光譜儀進行連續(xù)采集，采集頻率4 Hz。利用相對光強法和斯塔克展寬機制對光譜數據進行計算，并分析保護條件變化對等離子體特征參數的影響。

2 理論計算方法

描述等離子體的基本熱力學參數有多個，等離子體的電子溫度和電子密度是其中兩個重要的參數，且這兩者可以利用光譜診斷方法進行分析。

2.1 電子溫度

對于滿足局部熱力學平衡態(tài)的等離子體，其等離子體溫度等于電子溫度[7-8]。常見的等離子體溫度的計算方法有相對光強法、絕對光強法、Boltzmann圖法及標準溫度法[8]，本工作采用相對光強法，計算公式如式(1)

(1)

式中，g1和g2為兩能態(tài)的統計權重，A1和A2為兩能態(tài)的躍遷幾率，λ1和λ2為波長，E1和E2為激發(fā)電位，T為絕對溫度。

在選擇發(fā)射譜線計算電子溫度時，還需滿足[9]

E2-E1>kT

(2)

圖3所示為光致等離子體在波長范圍354～433nm的譜線強度-波長圖，圖中對不同波長的譜線進行了標定，選擇兩條譜線(FeⅠ361.77nm，FeⅠ424.99nm)進行電子溫度的計算，計算所采用光譜學參數如表1所示。

Fig.3 Spectrum about laser welding

Table 1 Spectroscopic constants of iron transitions selected for the calculation of electron temperature

2.2 電子密度

電子密度可以通過譜線輪廓的半高全寬計算，采用斯塔克展寬機制。對于非氫類原子，譜線展寬屬于平方斯塔克展寬，可通過經驗公式[式(3)]求得電子密度

(3)

式中，Δλ1/2為譜線的半高全寬，單位是?；ω為電子碰撞展寬系數；Ne為等離子體的電子密度，單位是cm-3；ND為德拜球內的離子數。

在本試驗條件下，離子準靜態(tài)場對譜線寬度的影響遠小于電子碰撞的影響，因此在忽略離子準靜態(tài)場影響的情況下，式(3)可以表述為

(4)

對整個焊接過程的光譜數據進行分析，選取ArⅠ譜線404.4 nm波長附近的光譜數據點進行Lorentz線性擬合，擬合曲線如圖4，從而計算電子密度，計算所用的光譜學參數ω為0.078 3。

Fig.4 Emission spectral line and the fitted Lorentz profile

3 結果與討論

3.1 基本保護條件變化的影響

圖5為保護氣流量變化時焊縫的宏觀形貌圖，圖5所標數字與圖1保護氣流量的分布情況相對應。保護氣流量為20和10 L·min-1時，氣體對焊接熔池的保護較好，焊接效果也較好，焊縫正面和背面的成型較美觀，工件焊透；保護氣流量為5 L·min-1時，熔寬較窄，焊縫背面出現未焊透現象；無保護氣體時，氧化較嚴重，出現銹斑，焊縫成型較差，工件焊透，焊縫背面焊道寬窄不一。

Fig.5 The weld bead macrograph with the variation of the flow rate of shielding gas

圖6為FeⅠ譜線計算的電子溫度和ArⅠ譜線計算的電子密度隨時間的變化過程。如圖6(a)所示，在第5 s時快速將保護氣流量從20 L·min-1變到10 L·min-1，平均電子溫度并沒有發(fā)生明顯變化，僅上升0.4%，仍在6 800 K附近波動。而在第12 s時將氣流量從10 L·min-1快速變到5 L·min-1和第19 s時將氣流量從5 L·min-1快速變到0 L·min-1時，電子溫度也迅速發(fā)生變化，平均電子溫度相對于6 800 K分別上升7.4%和20.6%，分別到達7 300和8 200 K。保護氣流量在10和20 L·min-1之間變化時，電子溫度的變化很小。

如圖6(b)所示，在第5 s時快速將保護氣流量從20 L·min-1變到10 L·min-1，平均電子密度并沒有發(fā)生明顯變化，僅上升0.36%，仍在5.55×1016cm-3附近波動。而在第12 s時將氣流量從10 L·min-1快速變到5 L·min-1和第19 s時將氣流量從5 L·min-1快速變到0 L·min-1時，電子密度也在迅速發(fā)生變化，平均電子密度相對于5.55×1016cm-3分別上升7%和15.7%，分別到達5.94×1016和6.42×1016cm-3。保護氣流量在10和20 L·min-1之間變化時，電子密度的變化也較小。

Fig.6 Evolution of calculated electron temperature of iron and electron density of ArⅠ with the variation of time

(a): Electron temperature; (b): Electron density

圖7為FeⅠ譜線計算的電子溫度和ArⅠ譜線計算的電子密度隨氣流量大小的變化過程，在每個氣流量下，標出電子溫度和電子密度的最大值與最小值，每個氣流量下的最大值與最小值之間均分布著20～30個點。如圖7(a)所示，無保護氣時等離子體電子溫度在較大范圍波動，平均值約為8 200 K；隨保護氣流量的增大，電子溫度數值減小，并在氣流量大于10 L·min-1后趨于穩(wěn)定，等離子體平均電子溫度約為6 800 K。而且從圖7(a)中還可以看出，保護氣流量為0和5 L·min-1時，電子溫度的波動范圍分別為208和243 K；而保護氣流量為10和20 L·min-1時，電子溫度的波動范圍分別為101和113 K，保護氣流量增大之后電子溫度的波動范圍明顯減小。因此，隨保護氣流量的增大，不僅等離子體的電子溫度在降低，而且電子溫度的數值逐漸趨于穩(wěn)定。

如圖7(b)所示，無保護氣時等離子體的電子密度平均值約為6.42×1016cm-3；隨保護氣流量的增大，電子密度數值減小，并在氣流量大于10 L·min-1后趨于穩(wěn)定，等離子體平均電子密度約為5.55×1016cm-3。而且從圖7(b)還可以看出，保護氣流量增大后，電子密度的波動范圍明顯減小，保護氣流量為10和20 L·min-1時，電子密度的平均值幾乎相同，即在這個范圍內保護氣流量的大小對電子密度的影響較小。

Fig.7 Evolution of calculated electron temperature of iron and electron density of ArⅠ with the variation of the flow rate of shielding gas

(a): Electron temperature; (b): Electron density

通過上述分析可知，隨保護氣流量的減小，電子溫度和電子密度的平均值在增大且波動也增大。在較好保護條件下保護氣流量變化時，無論電子溫度還是電子密度，其大小相當且波動幅度較小；當保護氣流量減小到5 L·min-1時，電子溫度和電子密度平均值均增大，波動幅度也增大；當保護氣流量減小到0 L·min-1時，電子溫度和電子密度的平均值及其波動幅度都更大。

3.2 保護不良焊接模擬試驗

為進一步驗證焊接過程中保護條件與等離子體特征參數之間的關系，分別對以下兩種情況進行試驗：第一種情況通過在焊接過程中人為使氣流中心偏離焊接中心點約20 mm來實現，如圖8所示，偏離發(fā)生在5～8 s；第二種情況通過在焊接過程中外加氣流量大小為20 L·min-1的空氣氣流干擾保護氣流來實現，如圖9所示，氣流干擾發(fā)生在0～4 s。這兩種情況下計算的電子溫度和電子密度隨時間的變化過程如圖8和圖9。

圖8(a)和(b)中，在保護氣偏離的保護不良情況下，計算得到的電子溫度和電子密度均比正常保護條件下高，且波動幅度有所加強，這與上述試驗分步減小保護氣流量時得到的結論相似。不偏離保護氣時，平均電子溫度和平均電子密度分別為7 700 K和5.7×1016cm-3，偏離之后平均電子溫度上升15.6%，達到8 900 K，平均電子密度上升5.3%，達到6.0×1016cm-3。與分步減小氣流量試驗相比，模擬試驗的平均電子溫度和平均電子密度有所不同，這可能是由于試驗條件的微調造成的。但是無論電子溫度還是電子密度，均在保護氣偏離即保護不充分時明顯升高，波動明顯加強，這種變化趨勢符合前面的基本保護條件變化的試驗研究的結論。

Fig.8 Evolution of calculated electron temperature and electron density with the deviation of shielding gas

Fig.9 Evolution of calculated electron temperature and electron density with the disturbance of air flow

圖9(a)和(b)中，外加垂直于保護氣方向的空氣流進行干擾，計算得到的電子溫度和電子密度的平均值分別為7 800 K和5.75×1016cm-3，只有保護氣時分別為7 750 K和5.65×1016cm-3，外加空氣流干擾時電子溫度和電子密度與只有保護氣時相比，平均數值變化不大，分別上升0.6%和1.8%，但波動有所加強，雖然沒有圖8中偏離保護氣時的情況明顯，但是總體上還是符合前面的基本保護條件變化的試驗研究的結論。

4 結 論

在Nd∶YAG激光焊過程中，保護條件變化對激光等離子體的電子溫度和電子密度有重要影響。在保護良好的條件下，等離子體的電子溫度和電子密度均較小，且波動幅度也較??；在保護不良的條件下，等離子體電子溫度和電子密度都比較大，且波動幅度也比較大。

激光等離子體的特征參數對保護條件變化比較敏感的特性為對激光焊過程進行監(jiān)控提供了可能性。

[1] Chen Genyu, Zhang Mingjun, Zhao Zhi, et al. Optics & Laser Technology, 2013，(45): 551.

[2] Kong F R, Ma J J, Carlson B, et al. Optics & Laser Technology, 2012, 44(7): 2186.

[3] Ma J J, Kong F R, Carlson B, et al. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(3): 495.

[4] Sibillano T, Ancona A, Rizzi D, et al. Physics Procedia, 2010, 5: 429.

[5] Sibillano T, Rizzi D, Ancona A, et al. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212(4): 910.

[6] Konuk A R, Aarts R, Veld A J, et al. Physics Procedia, 2011, 12: 744.

[7] Griem H R. Principle of Plasma Spectroscopy. Cambridge Monographs on Plasma Physics. Cambridge: Cambridge University Press, 1997.

[8] Griem H R. Plasma Spectroscopy. New York, USA: McGraw-Hill publishing, 1964.

[9] Lacroix D, Jeandel G, Boudot C. Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, 81(10): 6599.

The Spectral Analysis of Laser-Induced Plasma in Laser Welding with Various Protecting Conditions

DU Xiao1，YANG Li-jun1, 2*，LIU Tong1，JIAO Jiao1，WANG Hui-chao1

1. School of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China

The shielding gas plays an important role in the laser welding process and the variation of the protecting conditions has an obvious effect on the welding quality. This paper studied the influence of the change of protecting conditions on the parameters of laser-induced plasma such as electron temperature and electron density during the laser welding process by designing some experiments of reducing the shielding gas flow rate step by step and simulating the adverse conditions possibly occurring in the actual Nd∶YAG laser welding process. The laser-induced plasma was detected by a fiber spectrometer to get the spectral data. So the electron temperature of laser-induced plasma was calculated by using the method of relative spectral intensity and the electron density by the Stark Broadening. The results indicated that the variation of protecting conditions had an important effect on the electron temperature and the electron density in the laser welding. When the protecting conditions were changed, the average electron temperature and the average electron density of the laser-induced plasma would change, so did their fluctuation range. When the weld was in a good protecting condition, the electron temperature, the electron density and their fluctuation were all low. Otherwise, the values would be high. These characteristics would have contribution to monitoring the process of laser welding.

Laser welding; Laser-induced plasma; Spectrum diagnosis; Electron temperature; Electron density

Jul. 30, 2014; accepted Nov. 15, 2014)

2014-07-30，

2014-11-15

國家自然科學基金項目(51175374)，天津市應用基礎及前沿技術研究計劃項目(11JCYBJC06100)和哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室項目(AWPT-M12-08)資助

杜 笑，女，1990年生，天津大學材料科學與工程學院碩士研究生 e-mail: tjudxx@163.com *通訊聯系人 e-mail: yljabc@tju.edu.cn

TG403

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0015-05

*Corresponding author