激光焊接专用气动喷嘴的研究

针对高功率CO2激光焊接,作者试验研究出一种气动喷嘴,用以保护导光聚焦系统,防止焊接过程中金属飞溅造成的镜片污染,通过对飞溅粒子运动轨迹的理论分析,设计出合理的喷嘴结构。采用气动喷嘴和普通同轴喷嘴,比较试验出高功率激光焊接过程中导光系统污染对激光功率的衰减、焊缝气孔率及有效熔深等的影响以及聚焦镜片上飞溅粒子的分布。结果表明:气动喷嘴从本质上减少了聚焦镜上飞溅粒子的数量,使激光功率损失减少,有效焊接长度增加,并且横向气流没有对焊缝造成任何不利影响。     

激光加工用超音速横向气帘的设计及性能分析

在焊接、熔覆和毛化等激光材料加工过程中,为了保护聚焦镜片不受飞溅物及烟尘的污染,在聚焦系统下放置一个超音速横向气帘。根据空气动力学原理设计了一种由简单几何曲线构成的超音速气帘,采用EFD软件对超音速气帘的流场进行了模拟计算,并分析了气帘结构参数对气帘流场的影响。模拟计算结果表明,气帘出口处的气流速度可达到超音速,且气流发散角较小。实际加工实验进一步证明：超音速横向气帘能够有效吹除飞溅,保护聚焦透镜。     

高功率激光的聚焦性能对焊接质量的影响

分析了光束质量、球差对聚焦特性的影响,并利用横流CO2激光器及其加工系统实验研究了平-凸透射聚焦镜、抛物面反射聚焦镜对焊接质量的影响规律.结果表明,平-凸透射聚焦镜的正球差使焦点远离聚焦镜,负球差使焦点向聚焦镜靠拢,适当的球差可提高焦点光强;当入射光束无偏移时,抛物面聚焦镜比平-凸聚焦镜的焊接熔深大15%,入射光束偏移增加到0.6mm时,抛物面聚焦镜的焊接熔深迅速下降到低于平-凸透射聚焦镜.     

喷嘴形状对铝合金复合焊接头成形质量的影响

为了研究气体喷嘴形状对焊接成形质量的影响,采用了建立不同形状喷嘴的外流场数值模型的方法,进行了数值仿真和实验验证。在相同工艺参量下,采用YAG激光-MIG电弧复合热源,对10mm厚的5083铝合金板进行了平板堆焊试验。结果表明,多排圆管喷嘴的焊接过程最稳定,焊缝熔深和熔宽最大,分别为9.41mm和4.45mm,但其气孔率却最高达7.34%;单个方管的保护效果最好,但其焊接过程稳定性、熔深和熔宽均介于多排圆管与单个圆管喷嘴之间;而单个圆管除了保护效果介于多排圆管与单个方管之间外,其过程稳定性最差,焊缝形貌特征值最小;保护气体喷嘴为方形时,保护效果最佳。该结果验证了数值模型计算所得到的各种喷嘴有效保护范围和气流挺度。     

主动热防护结构光纤激光焊接侧吹保护试验研究

主动热防护构件作为航空航天领域的重要结构，光纤激光焊接是该类结构的优选制造工艺。苛刻的服役环境对焊缝成形、表面保护及气孔缺陷提出了很高的综合要求。基于侧吹保护的光纤激光非穿透深熔焊接工艺试验，采用超景深显微镜、数字RT检测及灰度处理等设备及方法，系统分析光气间距、气体输送角度、保护气输出长度及气体流量等参数对焊缝成形、焊缝保护效果及气孔的影响规律。结果表明，保护气流量及光气间距对焊缝形貌及气孔率影响较大，正值光气间距参数下焊缝气孔率较低，气孔率同保护气流量正相关。基于优化的气体保护参数，优化了喷嘴结构，实现了主动热防护凹槽三维构件的激光焊接制造，并通过台架测试。     

基于径向基函数神经网络的脉冲激光薄板焊接变形预测

以轿车用低碳钢薄板为实验样品,分析了脉冲激光焊接产生的主要变形方式。利用径向基函数神经网络对薄板焊接产生的横向收缩变形和横向弯曲变形进行预测。采用响应面法对实验参数进行优化设计。将脉冲频率、脉宽、聚焦镜焦距、离焦量、工件移动速度、保护气体种类、工件温度波动和光功率波动作为神经网络输入,提高了焊接变形预测的准确度。通过对比6种神经网络对薄板焊接变形预测的结果得出了最佳的网络结构。实验证明该神经网络对薄板焊接产生的变形有较高的预测准确度。     

局部干法水下Nd:YAG激光焊接技术

本文采用填丝热导焊的方法研究了水下激光焊接的基本物理现象,结果表明,利用气体喷嘴可形成局部干燥空间,其保护效果取决于喷嘴结构和气体流量等参数。喷嘴的外径大小对保护效果影响显著。当保护条件差时,局部干燥空间将有水浸入,导致焊缝由良好保护条件下的浅而表面光滑平整的形状变为深而表面起伏的形状。良好保护条件下的水下焊缝的力学性能和大气中一致。     

CO2激光填丝焊接30CrMoSiA钢的实用化研究

用上海团结普瑞玛激光设备公司的SLC-X1225-H型激光焊接机,配置数控送丝系统对厚为2～6mm的30CrMoSiA钢作了激光填丝拼焊的焊接试验。研究了激光功率、材料厚度、焦点位置、喷嘴高度、送丝速度、保护气体等参数对焊接速度、熔透率和焊接质量的影响。     

高强度镀锌钢的CO2激光焊接

利用CO2激光对汽车车身用1.5 mm厚高强度双面镀锌钢进行了大量的焊接实验,对焊缝组织进行了显微组织分析和相关的机械性能实验。从理论上推导了在一定焊接工艺条件下,稳定深熔焊接的下临界功率与焊接速度及焦点位置的关系。在同轴和侧吹保护气体的条件下,通过工艺参数优化,激光深熔焊接可以有效地避免高强度镀锌钢热影响区(HAZ)的软化现象以及焊缝气孔的有效控制。锌不稳定的急剧气化,使热影响区扩大和焊接稳定性降低,聚焦镜的保护难度加大,采取了有效措施加以控制。实验结果表明,用氮气作为保护气体,在激光功率1300 W,焊接速度0.8~1.1 m/min,焦点位置在工件表面下0.4 mm处时,得到了满意的焊接质量。焊缝的硬度接近母材硬度的2倍。     

激光宽带熔覆光内送粉喷嘴准直气罩研制

为了改善现有激光宽带熔覆送粉喷嘴中金属粉束发散、粉末利用率低的问题,设计了一种送粉喷嘴的准直气罩;为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀、粉束发散小,设计了一种流道。应用FLUENT软件对准直气罩内部流体分析,确定装置内部型腔和出口尺寸,以减少出口处的紊流,达到较佳的准直效果。最后利用研制的送粉装置进行送粉试验,验证了该准直气装置的实验效果。结果表明,准直气帘的宽度为粉束宽度的1.5倍时,准直效果较好。     

保护气体对接头形貌及熔滴过渡的影响与模拟

为了研究保护气体流量对复合焊接接头形貌及熔滴过渡的影响，采用5mm厚的高强钢板材进行了激光电弧复合焊接试验的理论分析和实验验证，获得了不同气流量下的焊缝形貌以及焊接过程中电弧和熔滴图像。结果表明，随着保护气体流量的增大，焊接熔深先增大后减小；当保护气体流量在25L/min，焊接熔深达到最大；且焊缝的铺展性较好，飞溅较少；保护气体流量通过影响熔滴过渡的形式，对熔滴过渡频率产生影响；随着气流量的增大，熔滴过渡频率减小，且在25L/min时，熔滴过渡频率较稳定；采用FLUENT软件对气流量进行数值模拟，气流量越大，保护气体流速越大，在工件表面的作用面积减小。该研究结果为实际工程应用中选择保护气体流量制备高质量的焊缝奠定了基础。     

2195-T8铝锂合金激光填丝双面焊熔池行为与接头力学性能研究

铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料,与其他铝锂合金相比,2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求,采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化,建立了热-流耦合数学模型,通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究,而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验,阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响,并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明：4组不同焊接工艺参数下,第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致,主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流;提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量,降低熔池热输入,细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒,进而有效提升接头力学性能;通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析,最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝,其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa,为母材强度的72.6%,对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。     

光纤激光焊接工艺参量对底部驼峰的影响

为了研究高功率光纤激光焊接工艺参量对底部驼峰倾向的影响,采用单一变量方法研究了激光功率、焊接速度、离焦量、下表面保护气体流量及焊接方位的变化对底部驼峰的影响。结果表明,随激光功率的增加,底部驼峰倾向先加大后减小;焊接速率提高时,底部驼峰高度先增加后减小,驼峰间距明显减小;离焦量在0mm附近时,底部驼峰倾向较大;适当的下表面保护气体流量有助于减小底部驼峰倾向,最佳流量为15L/min;焊接方位为60时,一定程度上可减小底部驼峰倾向。优化后的工艺参量合理, 可有效地消除底部驼峰。     

6061铝合金超声波辅助激光焊接变形控制研究

为了解决6061铝合金在激光焊接过程中出现的易变形、变形大的问题,采用施加超声波以辅助焊接的方法,以1mm厚的6061铝合金薄板为研究对象展开超声波辅助激光焊接试验,探究超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用;利用单因素试验方法分析了超声波功率对焊接变形的影响规律,设计包括超声波功率、激光功率、焊接速率、离焦量、保护...     

铝合金的激光焊接

综述了铝合金激光焊接中存在的诸如小孔的诱导和稳定,焊缝与母材的等强性、气孔等问题,指出了几种解决上述难题以获得良好焊接质量的方法。     

铝合金搅拌摩擦焊接技术的研究进展

搅拌摩擦焊接技术是一种利用高速旋转的搅拌探头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化的新型固相连接工艺,发明搅拌摩擦焊接技术最初是用于航空、航天工业铝及其合金的焊接,焊接时铝合金材料不熔化,减少各种熔焊方法带来的复杂的冶金反应.对铝合金搅拌摩擦焊接技术特性进行分析,讨论铝合金搅拌摩擦焊接过程材料的流动行为和工艺参数对焊接质量的影响,分析搅拌摩擦焊接缺陷的特征和影响因素,总结了不同铝合金搅拌摩擦焊缝的力学性能.     

激光辅助加热搅拌摩擦焊3维流场数值模拟

为了优化激光辅助加热搅拌摩擦焊接工艺、为焊接实验提供理论依据,采用数值模拟的方法,进行了Q235钢激光辅助加热搅拌摩擦焊3维流场模拟仿真。模拟分析了粘塑性材料的流动行为及热量传递过程,获得了被焊材料的流动场及温度场分布。结果表明,在焊接过程中,被焊材料主要是由后退侧向前进侧流动;激光功率为800W、焊接速率为23.5mm/min、转速由750r/min增加至1180r/min的过程中,被焊材料的流动性变好,最高温度升高,但未超过钢的熔点,与实际实验过程中钢未熔化一致。激光作为辅助热源,为焊接过程提供热量输入,可改善焊接材料的流动性。     

保护气流对CO2激光焊接铝合金的影响

利用3 kW高功率CO2激光器,通过改变保护气体流量和流动方向,对2 mm厚的A5083铝合金薄板进行了焊接实验研究.研究发现,小孔的稳定存在取决于保护气体对等离子体云的抑制效果,而侧吹保护气体对等离子体云的抑制效果主要取决于所形成的气流方向,从而影响焊接熔化特性.利用有限元法对激光焊接时保护气体在小孔内部和表面气流状况进行了数值模拟,通过对不同焊接条件下模拟形成的小孔气动扰流的气流场和压力分布云图的分析,解释了采用逆向侧吹保护气体吹除等离子体的方法,可以更有效地抑制等离子体云的产生,防止小孔塌陷,有利于维持小孔的稳定性.     

激光深熔焊接小孔效应的传热性研究

激光焊接由于其焊缝深宽比高、热影响区小以及高的焊接速度而在工业上得到越来越广泛的应用。激光深熔焊接的本质特征就是存在着小孔效应。采用高速摄影的方法清晰、完整地观测了激光深熔焊接GG17玻璃时的小孔，实验研究了离焦量、焊接速度对小孔和熔池形状、尺寸的影响。在分层假设的基础上建立了激光深熔焊接小孔效应的传热模型，并根据观测到的小孔形状和尺寸，用有限元法计算了小孔周围的温度场和流场。实验与模拟计算结果表明，小孔前沿的温度梯度比后沿的大；焊接熔池中的最大对流速度达到了焊接速度的10倍左右；小孔形状和尺寸的实验观测为系统研究激光深熔焊接时的小孔效应提供了一种新的方法。     

激光焊接工艺对K418与0Cr18Ni9焊接接头性能的影响

为了研究激光焊接工艺对K418与0Cr18Ni9异种金属焊接接头性能的影响,采用金相显微镜对焊缝的金相组织和形貌进行了分析,评价了焊缝及周边的硬度和强度。结果表明,在激光焊接K418高温合金与0Cr18Ni9时由于母材热物性参量存在较大的差异,为保证焊缝质量,激光光斑应偏向0Cr18Ni9合金一侧;为了防止热裂纹和液化裂纹的产生,应该尽量延长熔池凝固时间同时减少热影响的热输入;当保护气体流量为12L/min时,对焊缝的保护效果最好,与Ar₂相比N₂能有效减少焊缝中气孔的含量,但也会降低焊缝性能;焊缝的硬度值位于两母材硬度之间,焊接接头的强度约为母材的89%。采用合适的激光焊接工艺可以实现K418合金与0Cr18Ni9较好的焊接效果。