CO2激光深熔焊接光致等离子体行为的数值模拟

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本学位论文首先综述了激光深熔焊接过程中光致等离子体产生的机理、存在形态和影响光致等离子体的因素,接着讨论了光致等离子体对光束能量的影响形式和因素,在此基础上,深入研究了光致等离子体的参数场,影响激光加工过程中等离子体屏蔽的主要原因和激光等离子体对光束能量及焦斑能量密度的影响, 首先,文章通过求解等离子体的密度场、吸收系数、折射率等参数,发现上升到工件表面的金属等离子体之所以造成等离子体屏蔽,不但因为它形成的等离子体的吸收系数大,对加工激光的衰减较严重,而更为重要的是它的折射率小,致使等离子体对激光束造成很大的偏转,光斑扩展,能量密度下降。氦气之所以是最好的保护气体,一是由于它的电离阈值高于一般激光深熔焊接时的激光能量密度;二是氦气形成的等离子体吸收系数小,折射率大。采用氦氩混合气体体积比为1∶3的保护气体有助于铁合金的焊接,主要是因为这种组合气体形成的等离子体折射率在高温区随温度的变化不明显, 接着文章研究了激光通过等离子体后的能量和能量密度的变化。研究发现等离子体屏蔽的主要原因是等离子体对激光的折射造成的等离子体透镜效应,而不是等离子体对激光的吸收。当激光功率太大形成激光维持波时,之所以焊接不稳定,主要原因是这种逆激光传播的等离子体团使激光严重偏转,穿过吸收波的激光传到工件上时,光斑变得大而平坦,能量密度小于激光深熔焊接阈值。
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