表3四种等离子体形状的参数组合
▲图5 光谱采集位置
▲图6不同焊接工艺下的双电弧等离子体光谱在激光-双电弧复合焊中 ， 四种典型的位置关系导致复合热源的不同状态 。 建立了一个模型来揭示这种相互作用 ， 如图7所示 。 位置关系1：双电弧等离子体下形成匙孔 ， 电弧等离子体根部位于匙孔前方(在该实验条件下 ， Dla小于1.5mm) 。 高速金属蒸气从匙孔喷出 ， 自下而上冲击柔性电弧等离子体 ， 从而导致电弧等离子体体积膨胀 。 图3(a)中Ar等离子体的变形和图4(a)中Mg等离子体的凸起证实了这一点 。 膨胀导致Mg和Ar原子的光发射强度降低 ， 如图6(a)所示 ， 并降低了光谱采集位置的电子密度 ， 从而降低了粒子之间的碰撞截面 。 较低的碰撞概率会增加电子速度 ， 从而导致较高的电子温度 。 位置关系2：双电弧等离子体根部刚好覆盖匙孔 。 在这种情况下 ， 低电阻率的匙孔等离子体作为大阳极点吸引放电空间中的带电粒子会聚到匙孔 ， 使双电弧等离子体与匙孔等离子体连接 ， 在匙孔上方形成一个高光高密度的粒子通道 。 匙孔中的粒子可以顺利进入双电弧等离子体 。 具有低电离能(7.68 ev)的Mg原子更容易蒸发和电离 。 Mg原子代替Ar原子(15.84 ev)参与导电 ， 导致Mg原子的光谱强度增加而Ar原子的光谱强度降低 ， 如图6(b)所示 。 通道中粒子组成的变化导致电子温度降低和电子密度增加 。 位置关系3：激光器与双电弧等离子体根部距离过远 ， 以至于电弧等离子体几乎不受匙孔等离子体的影响 。 此时 ， 双电弧焊和复合焊的光谱强度差异很小 ， 如图6(c)所示 ， 电子温度和密度也变化不大 。 位置关系4：匙孔在双电弧等离子体根部线的中点处形成 ， 且不会被电弧等离子体根部覆盖(本实验条件下 ， Daa大于3mm) 。 在这种情况下 ， 由于匙孔附近温度低 ， 匙孔等离子体中的粒子很难保持电离状态 ， 粒子更难移动到电弧中 。 在图4(d)中 ， 少量Mg离子的进入引起双电弧等离子体空间的轻微扩大 。 Ar离子被部分置换后 ， Ar等离子体的体积会减小 。 由于电弧根部远离匙孔 ， Ar等离子体无法与匙孔等离子体连接 ， 而是在钨电极尖端附近迅速收缩 ， 明显形成两个导电通道 ， 即分离的等离子体形状 ， 如图3(d)所示 。 因此 ， 在光谱采集点中仅存在Mg等离子体 ， 而Ar等离子体几乎消失 。 该结果与图6(d)中的变化一致 。 Ar原子光发射的消失导致A点电子温度和密度降低 。 估算每个焊接过程中等离子体的电子温度和密度 ， 每个计算结果由至少20个值的平均值来确定 ， 以减少估计误差 。 计算结果如表4所示 ， 可以很好地证明前面的分析 。 综上所述 ， 只有位置关系2能够实现双电弧的同步诱导 ， 即当激光作用时 ， 双电弧形成一个电子密度提高了60.64%的耦合等离子体 。 该状态下的焊接效果如图8所示 。 两种焊接工艺的焊缝宽度基本相同 。 复合焊接的焊缝熔深从2.2mm增加到6mm ， 增加了2.7倍 。 因此 ， 结合双电弧等离子体的形状和光谱信息 ， 可以准确有效地判断是否发生同步诱导 。
表4不同焊接工艺中的电子温度和密度 。 (a)、(b)、(c)和(d)的主要参数见表3
▲图7 激光-双TIG复合焊接过程中的四个位置关系 。 (1)位置关系1 。 (2)位置关系2 。 (3)位置关系3 。 (4)位置关系4 。
▲图8焊接截面轮廓 。 焊接参数见表3中的b组 。
3.1.3 检查LTE和自吸收的假设在计算电子温度和密度之前 ， 假设电弧等离子体处于LTE状态 。 等离子体是否满足LTE状态可以通过公式1来判断：
(1)其中ΔE(eV)是原子能级系统中的最大能隙 。 根据该公式 ， 当电子温度为16000K时 ， ΔE为2.636 eV(MgI470.299nm) ， 电子密度约为3.71×1015cm-3 。 表3中电子温度计算结果均小于16000k ， 电子密度实际计算值均达到1017cm-3 ， 高于临界值 。 因此 ， 双电弧焊和复合焊都符合LTE假设 。 采用光谱分析方法时 ， 一般假设等离子体是光学薄膜的 ， 即等离子体的发射光谱没有自吸收 ， 等离子体的光学深度满足公式2：
(2)其中是等离子体的光学深度 ， 是吸收系数 ， 是从m级到n级的发射光谱线波长 ， L是等离子体的厚度 。 等离子体吸收系数可由公式3确定：
(3)其中e是电子电荷 ， ?0是真空介电常数 ， me是电子质量 ， c是光速 ， fmn是吸收振荡器强度 ， Nn是较低水平的粒子浓度 ， 是光谱线的FWHM 。 计算Mg原子光谱线的吸收系数 ， 结果表明 ， 本文用于计算电子温度和密度的光谱线光学深度小于0.058 。 以Mg I 516.732nm为例 ， 复合焊接的光学深度约为0.0432 ， 双电弧焊的光学深度约为0.0513 。 因此 ， 可以确定双电弧等离子体是光学薄的 ， 可以忽略Mg原子光谱线的自吸收 。 3.2 同步诱导的实验结果结合上述同步诱导的判断方法 ， 分析了表1中各参数组合的诱导现象 ， 研究了激光对双电弧的同步诱导机制 。 从图9中三组实验的诱导结果可以看出 ， 实心点的面积呈“锤子”状 。 这表明激光对双电弧等离子体的同步诱导能力随着激光脉冲能量的增加而增加 。 此外 ， 我们还可以发现 ， 当图9(3)中Daa相对较大时 ， 随着Dla的增加 ， 诱导变得更加困难 。 当图9(1)中的Daa相对较小时 ， 在Dla足够大的情况下更容易发生同步诱导 。 通过分析图9中的数据 ， 可以注意到Daa的值对实心点和空心点的分布影响很大 。 图10显示了在三种Daa条件下MgI516.732nm在复合焊和双电弧焊中的光谱强度随Dla的连续变化 。 可以发现 ， 在双电弧焊中 ， 随着Daa的增加 ， Mg原子的光谱强度逐渐降低 ， 因为Daa的值会影响双电弧叠加后的电场强度 。 Daa越小 ， 叠加场强越大 ， 电弧电压越高 ， 电子运动的驱动力越大 。 采用汉诺威分析仪测量不同Daa条件下电弧的输出电压 。 高能电子与重粒子的剧烈碰撞可以激发更强的光发射 ， 同时也提高了电弧等离子体的电子温度和密度 ， 如图11所示 。 在复合焊接中 ， 当Daa从1mm增加到3mm时 ， Mg原子强度增加最大的Dla位置从3.75mm逐渐减小到2.25mm ， 这与图9一致 。
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