真空激光焊接技术研究进展

随着激光器功率的增加,激光传输受等离子体羽辉影响损耗严重,导致激光焊接一次性可穿透深度并非与激光输出功率成正比,焊缝成形稳定性无法可靠保证。而在真空环境下,激光焊接能够展现出不同的工艺特征,能有效抑制等离子体羽辉,增加焊缝熔深,改善熔池稳定性,获得高质量的焊缝。真空激光焊接为实现厚壁构件优质、高效焊接提供了新的工艺方法与研究思路。在综合评述国内外研究成果的基础上,介绍了真空激光焊接技术的发展历史,分析真空环境下激光焊接过程中的焊缝成形、熔池与匙孔、等离子体羽辉特征,梳理了真空激光焊接装备设计和真空激光焊接的相关应用等内容,并对目前该技术研究中存在的问题进行探讨以及对真空激光焊接技术未来发展方向进行展望。     

背反射增效激光焊接熔池匙孔相变及流场分析

建立了背反射增效激光焊焊接熔池流动中气相区、液相区和固相区的统一模型，在模型中考虑了等离子体/蒸气云和小孔吸收机制，综合了表面张力、热浮力和重力的作用. 基于数值计算得到了熔池的三相匙孔相变以及流场，重点分析了表面张力对熔池流动和传热的影响. 此外，通过钛合金薄板的背反射增效激光焊接试验对模型进行了验证. 结果表明，匙孔引发等离子体/蒸气云与背面垫板诱发羽辉的耦合作用，是X形焊缝熔池形貌形成的主要原因；同时，表面张力是形成背反射增效激光焊接熔池内“椭圆回流环”的主要驱动力.     

铝合金激光扫描焊接工艺特性

为减少6061铝合金激光焊接缺陷，提高焊接过程稳定性，采用大功率固体激光光束扫描焊接的方法进行焊接工艺开发. 结果表明，当工艺参数在扫描幅度为0.5 ~ 0.7 mm，扫描频率为100 ~ 200 Hz范围内时可以获得质量较高的焊缝. 激光扫描焊接可以明显抑制等离子体的生成，其尺寸相对于常规激光焊接的2/3，其面积变化标准差约为常规激光焊接的1/2. 相对于常规激光焊接技术，激光扫描焊接过程中熔池形状稳定保持圆状，匙孔在其中沿逆时针方向稳定运动，其面积约为常规激光焊接中匙孔面积的2倍.     

匙孔内光纤激光致喷发蒸汽对焊接过程的影响

光纤激光深熔焊接羽辉由匙孔内激光致蒸汽喷发所致，对焊接过程存在严重的负面影响.文中通过改变匙孔内激光致蒸汽的喷发特征，研究羽辉对光纤激光深熔焊接过程的影响规律.结果表明，随着焊接速度的提高，沿焊接方向的匙孔口长度逐渐增大，匙孔前壁的倾斜角则逐渐减小.该现象导致孔内激光致喷发蒸汽的特征发生变化：底部摆动羽辉的喷发方向逐渐沿焊接反方向偏离激光束，狭长形羽辉的高度则逐渐降低直至消失；羽辉对焊接熔深的负面影响也逐渐减小直至消失，但飞溅数量逐渐增多，焊缝表面成形则逐渐恶化.进一步分析表明，匙孔前壁激光致蒸汽的喷发方向变化是底部摆动羽辉的喷发方向和狭长形羽辉高度均发生改变的主要原因；提高焊接速度可降低羽辉对焊接过程的负面影响，但匙孔前壁激光致蒸汽对匙孔后壁的冲击作用将导致孔口沿焊接方向的长度变大、飞溅增多、焊缝表面成形质量变差.     

TC4钛合金低真空20 kW激光焊接特性研究

为探究厚壁钛合金在不同环境压力下的激光焊接特性，采用低真空激光焊接技术对Ti6Al4V合金进行非熔透焊接试验研究，分析了亚气氛环境压力对钛合金万瓦级激光焊接焊缝成形、焊接气孔、等离子体羽、熔池及匙孔的影响规律，并探讨亚气氛环境可以改善万瓦级激光焊接质量的可能原因。研究结果表明：环境压力对焊缝熔深、熔池宽度及匙孔上表面开口直径的影响存在一个临界区间即104 Pa数量级，达到临界区间后焊缝熔深会显著增加，熔池宽度、孔口直径显著减小。造成这种现象的可能原因之一是等离子体羽的突变，亚气氛环境激光焊接等离子体羽被明显抑制，对激光束能量传输的干扰效应降低。     

激光焊接过程的熔池动态行为研究

文中首先采用高速摄像在线监测系统对激光自熔焊、激光填丝焊熔池动态行为进行分析，并对焊缝成形进行对比分析，进一步采用数值模拟的方法对激光自熔焊、激光填丝焊填充金属作用下的焊接熔池动态行为进行对比分析.研究结果表明，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，在匙孔开口后方出现了金属隆起，金属的隆起尺寸较大，激光自熔焊焊缝成形较差，表面有凹坑出现.激光填丝焊匙孔壁后方熔池表面出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，但在其下方出现由熔池尾部回流向匙孔的流动，虽然也会产生焊接飞溅，但焊接飞溅的尺寸相对较小，而且由于液态金属的填充作用，焊缝表面不易出现下凹的缺陷，焊缝成形良好.与激光自熔焊相比，液态熔滴进入熔池后，匙孔壁后方的熔体流动速度波动程度明显增大.     

并行双光束激光焊接匙孔瞬态振荡和熔池流动行为数值模拟——I.模型的建立和匙孔瞬态行为

建立了并行双光束激光焊接匙孔瞬态振荡和熔池流动行为的三维数学模型,模拟了并行双光束激光焊接过程中匙孔瞬态行为.结果表明,并行双光束激光焊接过程中,匙孔形貌演化过程复杂,其深度随时间的变化具有阶段性和一定的周期性;深度的振荡频率与单光束激光焊接在数量级一致,可达到数千赫兹;焊接速度增大,匙孔深度振荡的振幅将减小,当焊接速度增大到一定程度时,匙孔甚至可能处于稳定状态;光斑间距过大或者过小,匙孔深度振荡的振幅将变大;光斑间距太大时,熔深存在着较大的起伏.     

铝合金激光-MIG复合填丝焊稳定性分析

通过与铝合金激光-MIG复合焊方法相对比,主要研究了铝合金激光-MIG复合填丝焊的焊缝成形、熔深稳定性、余高稳定性、焊缝气孔率、激光匙孔特征、等离子体特征. 试验结果表明,在合适的工艺参数条件下,铝合金激光-MIG复合填丝焊焊接过程稳定,焊缝成形良好,额外填入的焊丝可以连续稳定地过渡到熔池中,激光匙孔具有明显的形成、长大、湮灭周期性变化特征;相同工艺参数条件下,铝合金激光-MIG复合填丝焊的焊缝熔深稳定性、余高稳定性与激光-MIG复合焊相当,激光匙孔开口面积约增加15.34%,等离子体+电弧总面积约增加1.95%.     

气流辅助增强小孔激光焊的熔池小孔特征(英文)

气流辅助增强匙孔激光焊是采用单独一股气流直吹匙孔、使匙孔向下凹陷从而有效增加焊接熔深的新工艺方法。采用30 W的808nm激光主动光源,旁轴配置的高速摄像系统对气流辅助增强匙孔激光焊的熔池小孔特征进行了监测。焊接设备采用了激光最高功率为1.5 kW的板条型CO2气体激光器,对比研究了气流增强匙孔激光焊、传统激光焊的熔池和小孔特征。结果表明:气流的引入进一步压制了激光焊接等离子体,一定程度上增加了小孔的稳定性;气流增强匙孔激光焊的熔池更为狭长,熔池形状变得狭长,熔池更窄更长,熔池宽度减少约25%,熔池长度增加约48%;气流的引入增加了液态熔池的停留时间,有助于降低焊缝的冷裂倾向,有助于熔池中气泡和熔渣的浮出;由于较强气流的冷却作用致使熔池最高温度降低,因此辅助气流流量合适时不会引起焊缝晶粒的粗大。     

双光束激光焊匙孔动态特征分析

文中研究了高功率单光束激光焊与双光束激光焊过程中匙孔动态特征的差别. 结果表明,单光束激光焊及双光束激光焊接过程中匙孔均处于从产生到湮灭的剧烈波动的过程,不同于单光束激光焊匙孔的形成、长大、维持、缩小、湮灭过程,双光束激光焊的匙孔还存在分离长大及合并缩小的过程;在相同的焊接参数及焊缝具有相同熔深的条件下,双光束激光焊匙孔的波动频率约为单光束激光焊的2/3,单光束激光焊匙孔的开口面积均值约为双光束激光焊匙孔开口面积的1/2,开口面积的波动变异系数约为单光束激光的2倍,即双光束激光焊过程中匙孔较单光束激光焊的具有较高稳定性.     

焊丝熔化方式对激光焊接过程的影响

研究了两种焊丝熔化方法(电弧预熔丝激光焊、激光填丝焊)激光焊接过程对匙孔稳定性以及焊缝成形的影响,进一步研究了焊丝熔化方法对焊接接头质量的影响,并对比分析了两种焊丝熔化方式对焊接速度的适应性. 结果表明,电弧预熔丝激光焊过程中,熔池表面匙孔开口尺寸变化不大,匙孔较为稳定;激光填丝焊方法由于熔化的液态金属距离匙孔边缘很近,焊接过程中熔池表面匙孔开口尺寸变化较大,而且容易出现熔池表面匙孔的闭合. 与激光填丝焊相比,电弧预熔丝激光焊熔化的焊丝端部可以沿熔池边缘流入,与匙孔边缘的距离较远,匙孔稳定性较好,焊缝气孔数量较少. 当焊接速度为8 m/min时,电弧预熔丝激光焊的焊缝成形良好;而激光填丝焊焊缝背面成形不连续,并且出现了未焊透的缺陷.     

High quality welding of stainless steel with 10 kW high power fibre laser

Abstract

The objectives of this research are to investigate penetration characteristics, to clarify welding phenomena and to develop high quality welding procedures in bead on plate welding of type 304 austenitic stainless steel plates with a 10 kW fibre laser beam. The penetration depth reached 18 mm at the maximum at 5 mm s^?1. At 50 mm s^?1 or lower welding speeds, however, porosity was generated at any fibre laser spot diameter. On the other hand, at 100 mm s^?1 or higher welding speeds, underfilling and humping weld beads were formed under the conventionally and tightly focused conditions respectively. The generation of spatters was influenced mainly by a strong shear force of a laser induced plume and was greatly reduced by controlling direction of the plume blowing out of a keyhole inlet. The humping formation was dependent upon several dynamic or static factors, such as melt volume above the surface, strong melt flow to the rear molten pool on the top surface, solidification rate and narrow molten pool width and corresponding high surface tension. Its suppression was effective by producing a wider weld bead width under the defocused laser beam conditions or reduction of melt volume out of keyhole inlet under the full penetration welding conditions. Concerning porosity, X-ray transmission in situ observation images demonstrated that pores were formed not only from the tip of the keyhole but also at the middle part because of high power density. The keyhole behaviour was stabilised using a nitrogen shielding gas, resulting in porosity prevention. Consequently, to produce high quality welds in 10 kW high power fibre laser welding, the reduction procedures of welding defects were required on the basis of understanding their formation mechanism, and 10 kW fibre laser power could produce sound deeply penetrated welds of 18 mm depth in a nitrogen shielding gas.     

Numerical simulation of molten pool dynamics in high power disk laser welding

A single-phase problem is solved rather than a multiphase problem for numerical simplicity: and the solution is based on the assumption that the region of gas or plasma can be treated as a void because solid or liquid steel has a greater density level than gas or plasma. The volume-of-fluid method, which can calculate the free surface shape of the keyhole, is used in conjunction with a ray-tracing algorithm to estimate the multiple reflections. Fresnel's reflection model is simplified by the Hagen-Rubens relation for handling a laser beam interaction with materials. Factors considered in the simulations include buoyancy force, Marangoni force and recoil pressure; furthermore, pore generation is simulated by means of an adiabatic bubble model, which can also lead to the phenomenon of a keyhole collapse. Models of the shear stress on the keyhole surface and of the heat transfer to the molten pool via a plasma plume are introduced in simulations of the weld pool dynamics. Analysis of the temperature profile characteristics of the weld bead and molten pool flow in the molten pool is based on the results of the numerical simulations. The simulation results are used to estimate the weld fusion zone shape; and the results of the simulated fusion zone formation are compared with the results of the experimental fusion zone formation and found to be in good agreement. The effects of laser beam profile (Gaussian vs. measured), vapor shear stress, vapor heat source and sulfur content on the molten pool behavior and fusion zone shape are analyzed.     

激光-MAG复合焊熔质分布与熔池流动特征

采用扫描电子显微镜和高速摄像机分析了CO2激光-MAG电弧复合焊接焊缝中熔质元素的分布规律,以及复合焊熔池的形成过程与熔池内熔质分布的关系.熔质分布与熔池的流动状况及元素添加位置密切相关,其决定因素是激光与电弧两热源间距变化引起的熔池流动特征变化.激光匙孔强烈的波动和熔体紊流可以使熔质分布均匀化,但低熔点金属形成的等离子蒸气冲击力会使熔质在焊缝中形成局部区过度富积,而激光束流的扫描和搅拌可进一步促使熔质元素分布均匀化.当光丝距离为3 mm、元素添加位置距表面1.0 mm时,熔池中添加元素含量较高并且分布最为均匀.     

TC4钛合金光纤激光摆动焊抑制小孔型气孔的原因分析

采用光纤激光器对8 mm厚TC4钛合金板进行振镜摆动焊接,采用光谱仪和高速摄像机采集等离子体的光谱、图像及小孔的图像,分析摆动焊接抑制小孔型气孔的原因.结果表明,摆动光束对抑制钛合金小孔型焊接气孔具有显著作用;光束未摆动焊接时,焊缝中的气孔率达9.8%;光束摆动后焊缝中的气孔率均降低,其中焊接参数为5 kW、2 m/min,摆动参数为80 Hz、0.5 mm时,小孔形气孔被完全抑制.与光束未摆动相比,光束摆动焊接的小孔稳定性显著增加,其原因是光束摆动提高了光束与熔池液面的接触面积,金属蒸发增强,驱动小孔张开的径向力和轴向力得以增加.     

铝合金激光-MIG复合焊熔滴对匙孔作用的模拟

将复合焊接过程中的反冲压力、表面张力等驱动力及熔滴过渡行为考虑在内,建立5A06铝合金激光-MIG复合焊接数值模拟热流耦合模型,由于熔池内的流动及匙孔稳定性对焊接性能有重要影响,因此针对熔滴与匙孔及熔池稳定性的影响进行了系统讨论,并且通过采用不同的熔滴落入位置进行计算.结果表明,当熔滴落入位置距激光中心较近时,熔滴对匙孔的冲击作用较大,匙孔壁的平均流速和波动频率有所增加,匙孔更易由于周期性的熔滴过渡而产生液桥发生闭合,熔滴落入位置还会影响匙孔深宽比,进而影响激光能量的菲涅尔吸收.     

气流辅助增强匙孔激光焊熔深增加机理

采用直径为0.8 mm的气流喷嘴直吹匙孔,开展了不同吹气方向、气流入射点位置及流量下的激光焊试验,为获得增强的匙孔效应和增加的熔深.通过等值线图分析获得了优化的气流参数,最大熔深较传统激光焊增加了约38%.合适入射点位置和流量的增强匙孔气流,不仅压制了等离子体,还将匙孔口部的液态金属向下压,使得匙孔口部明显扩大、熔深增加、焊缝成形良好,匙孔内等离子体的流向发生了改变,因而熔池内液态金属的流向也发生了变化;入射点位置偏后时,其作用区域为匙孔后方熔池,将液态金属向熔池后方推,会导致驼峰焊道的产生.     

电子束点焊熔池的液态金属冲刷效应作用规律

为了更深入地探究电子束焊接过程中的机理问题,基于对电子束点焊熔池中液态金属冲刷效应的理论分析,利用边界层理论对该效应进行数学建模.使用有限体积法数值软件Fluent,对20 mm厚的2219铝合金电子束点焊熔池的温度场和流场进行三维瞬态数值模拟,研究了液态金属冲刷效应对熔池的作用规律.模拟结果表明,液态金属冲刷效应会对熔池温度场、匙孔稳定性、熔池流场和固液界面形状与位置四个方面产生影响.模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数学模型的合理性.     

激光液态填充焊的填材熔化与过渡稳定性

针对激光填丝焊过程中焊丝对入射激光能量的反射、匙孔不稳定等问题,提出了激光液态填充焊方法,采用电弧提前预熔焊丝,让填材以液态方式流入熔池中.分析了激光液态填充焊的熔化、过渡模式,以及工艺参数对过渡模式的影响规律.结果表明,在电弧热作用下焊丝有液桥过渡和滴状过渡两种模式,焊接电流较小时,焊丝的上部熔化,下部依然保持固态,形成稳定的液桥过渡;焊接电流较大时,焊丝端部全部熔化易回缩成球为滴状过渡,过渡稳定性变差.为改善滴状过渡的稳定性,可依靠间隙的毛细作用稳定流入熔池中.激光液态填充焊可降低对匙孔的冲击,提高匙孔的稳定性.