Взаимодействие пучка излучения СО₂-лазера с плазмой электрической дуги при гибридной (лазер + тиг) сварке

Abstract

Предложена самосогласованная математическая модель процессов энерго-, массо- и электропереноса в плазме столба и анодной области электрической дуги с тугоплавким катодом, горящей в инертном газе, на которую воздействует сфокусированный пучок излучения CO₂-лазера, распространяющийся вдоль столба дуги. Для математического описания процессов, протекающих в такой системе, используется однотемпературная модель дуговой плазмы, учитывающая дополнительный нагрев плазмы за счет поглощения лазерного излучения, а также ее многокомпонентность, связанную с испарением металла с поверхности анода. Проанализировано влияние мощности лазерного пучка и температуры поверхности анода на тепловые и электромагнитные характеристики столба и анодной области аргоновой дуги с тугоплавким катодом. Показано, что в результате дополнительного локального нагрева дуговой плазмы лазерным излучением ее температура в приосевой зоне столба дуги может возрастать на 5 000…10 000 K по сравнению с соответствующей дугой при ТИГ сварке. Это приводит к существенной перестройке пространственных распределений электрического потенциала и плотности электрического тока в прианодной зоне столба дуги, а также плотности теплового потока, вводимого дугой в анод, изменяя тем самым распределенные и интегральные характеристики ее теплового и динамического воздействия на свариваемый металл. Установлено, что в результате воздействия сфокусированного лазерного пучка на дуговую плазму возникает эффект контрагирования электрического тока в центре области анодной привязки дуги и соответствующего повышения плотности теплового потока, вводимого дугой в анод, при гибридной (СО₂-лазер + ТИГ) сварке. Это способствует увеличению доли вкладываемой в металл энергии, идущей на его плавление, а следовательно, повышению проплавляющей способности лазерно-дугового источника тепла. Показано, что испарение металла анода приводит к некоторому ослаблению эффекта контрагирования электрического тока в прианодной области дуги, находящейся под воздействием сфокусированного лазерного пучка. Исследовано влияние поглощения и рефракции лазерного излучения в дуговой плазме на характеристики взаимодействующего с ней лазерного пучка и его тепловое воздействие на поверхность свариваемого металла в условиях гибридной (СО₂-лазер + ТИГ) сварки. Показано, что поглощение лазерного пучка в дуговой плазме приводит к некоторому уменьшению мощности излучения, доходящей до поверхности анода, при этом размер пятна фокусировки пучка на указанной поверхности практически не изменяется, т.е. рефракция пучка в дуговой плазме оказывается малосущественной

Self-consistent mathematical model was proposed for the processes of energy-, mass- and charge transfer in the plasma of the column and anode region of electric arc with refractory cathode, running in inert gas, and exposed to a focused beam of CO₂-laser radiation, propagating along the arc column. Mathematical description of the processes running in such a system uses single-temperature model of arc plasma, allowing for additional plasma heating due to laser radiation absorption, as well as its multicomponent nature, associated with metal evaporation from cathode surface. Influence of laser beam power and anode surface temperature on thermal and electromagnetic characteristics of plasma of the column and anode region of argon arc on refractory cathode was analyzed. It is shown that as a result of additional local heating of arc plasma by laser radiation, its temperature in the paraxial zone of arc column can rise by 5000-10000K, compared to the respective arc in TIG welding. This leads to an essential restructuring of spatial distributions of electric potential and density of electric current in the arc column near-anode region, as well as density of thermal flow applied by the arc to the anode, thus changing the distributed and integral characteristics of its thermal and dynamic impact on the metal being welded. It is established that the impact of a focused laser beam on arc plasma leads to the effect of electric current contraction in the center of the region of anode binding of the arc and respective increase of the density of heat flow, applied by the arc to the anode, in hybrid (CO₂-laser + TIG) welding. This promotes an increase of the energy applied to the metal, which is consumed in its melting and, therefore, an increase of penetrability of laser-arc heat source. It is shown that anode metal evaporation leads to a certain weakening of the effect of electric current contraction in the arc near-anode region, which is exposed to a focused laser beam. The influence of laser radiation absorption and refraction in arc plasma on the characteristics of laser beam interacting with it and its thermal impact on the surface of metal being welded under the conditions of hybrid (CO₂-laser+ TIG) welding was studied. It is shown that laser beam absorption in arc plasma leads to a certain decrease of radiation power, reaching the anode surface. The size of beam focusing spot on the above surface practically does not change, i.e. beam refraction in arc plasma turns out to be insignificant.