焊接速度对填材填充激光焊接熔池动态行为影响的数值模拟

研究了焊接速度对填材填充激光焊接熔池动态行为的影响。研究结果表明:焊接速度对填材填充熔池过程中的匙孔三维形貌及熔池流动行为具有显著影响;填材填充激光焊接熔池时,提高焊接速度有利于提高匙孔的稳定性;随着焊接速度提高,匙孔深度以及孔壁底部流动速度的波动幅度减小,维持匙孔张开的驱动力增大,匙孔附近的流场由匙孔壁面向熔池方向流动的趋势增强。     

熔滴填充位置对激光焊接熔池动态行为的影响

借助熔滴作用下的三维瞬态激光焊接热-流耦合有限元模型,对不同的熔滴填充位置下熔滴进入熔池过程的匙孔三维形貌、熔池金属流动特性进行研究。数值模拟计算结果表明,熔滴填充位置对激光焊接过程中匙孔三维形貌及熔池液态金属的流动行为的影响较大。当熔滴填充位置由0.5 mm增大到1.8 mm时,对匙孔三维形貌变化的影响减弱,熔池内部挤压匙孔前壁和后壁驱使匙孔闭合的流动趋势减弱而维持匙孔壁张开的流动趋势增强,匙孔底部液态金属流动速度的波动幅度减弱。     

焊丝熔化填充方式对激光焊接熔池影响的数值模拟

结合激光深熔焊的焊接特性,建立焊丝熔化后进入熔池过程的三维瞬态激光焊接热-流耦合模型。研究了焊丝熔化填充方式对匙孔三维形态、熔池流动行为的影响,最后分析了焊丝熔化填充对匙孔稳定性的影响机制。计算结果表明,焊丝熔化以自由过渡的形式落入熔池对匙孔的形态影响较大,对匙孔前壁的挤压作用非常明显,造成了匙孔闭合、倒塌的情况;焊丝熔化沿熔池边缘流入熔池对匙孔的形态影响相对较小,匙孔下部会出现内凹的现象。焊丝熔化进入熔池之后在匙孔后方的熔池会产生两个顺时针的流动漩涡,流动漩涡的存在会使熔池内部流动行为更加复杂。     

激光液态填充焊与常规激光填丝焊特性的对比研究

针对激光填丝焊过程中的焊丝对入射激光能量的反射、匙孔不稳定、光丝对中精度要求高等问题,以铝合金为材料,对比研究了激光液态填充焊与激光填丝焊的填材熔化与填充特性。结果表明,激光液态填充焊中焊丝依靠电弧的作用熔化,液态金属依托底部固态焊丝的导向流入到熔池中,填充过程连续稳定,降低了焊丝对入射激光能量的反射。相比激光填丝焊,熔化的焊丝端部距离匙孔边缘较远,避免了填材对匙孔的直接冲击,而且熔池尺寸较大有利于气泡逸出,降低了铝合金气孔率,明显提高了高速焊、送丝精度的适应性。     

单/双光束激光焊接熔池行为及焊缝成形特性比较

以不锈钢为研究对象,对比研究了单、双光束激光焊接过程中的熔池形态和焊缝形貌,建立了二者之间的相关性。结果表明,单、双光束激光焊接具有不同的熔池形态演变过程,光斑间距会影响双光束激光焊接熔池尺寸及焊缝形貌。双光束焊接过程中匙孔之间的相互作用垂直于双光斑连线方向,形成强烈的熔体流动,而单光束焊接熔体向匙孔周围均匀流动。熔体流动方式的不同是导致单、双光束焊缝形貌差异的关键。     

基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用

为了研究激光深溶焊接过程中匙孔内自由壁面的变化及相应的温度分布,采用光束跟踪法,推导出了符合激光深熔焊接物理过程的热源模型。在建立的气、液、固3相统一的控制方程中使用该热源模型,通过流体容积法追踪匙孔自由液面,得出了匙孔的动态变化过程及相应的温度分布。结果表明,采用光束跟踪法热源模型计算出的熔池轮廓与激光熔焊接实验相符合。     

激光填丝多层焊温度场和应力场的数值模拟

基于有限元计算软件MARC,对16 mm厚低合金高强钢激光填丝多层焊温度场和应力场进行了三维数值模拟。利用生死单元法,采用热流密度线性衰减高斯圆柱热源模拟匙孔效应,双椭球模型模拟焊丝受热过程。计算结果与实际结果对比,两者基本吻合。计算结果表明,层间保温能够有效降低接头冷却速度,减小激光填丝焊残余应力,改善厚板多层焊接头性能;多层焊应力集中主要位于中下部焊道及其热影响区;焊接中坡口有收缩趋势,焊后工件有一定角变形。     

光丝距对激光-电弧复合焊接熔池表面流动的影响

在焊接过程中,熔池的流动特征与气孔、咬边等缺陷密切相关,对熔池的结晶过程以及焊缝成形也有重要影响。以低合金高强钢为研究对象,通过钻孔填埋ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机记录匙孔位置、电弧形态及熔池的流动特征,研究了不同光丝距下激光-电弧复合焊接熔池表面的流动规律。结果表明:当光丝距为1 mm时,匙孔位置不稳定,发生了漂移现象,示踪粒子绕过电弧作用区后沿中轴线流向后方;当光丝距增加至3 mm时,匙孔位置相对稳定,但示踪粒子在流动过程中出现了典型的卡门涡街现象;随着光丝距进一步增加至5 mm时,匙孔位置稳定,但示踪粒子在流经激光与电弧中间区域时出现了停滞现象,此条件下示踪粒子的运动距离最大。通过对比三种光丝距下的焊缝截面形貌可以发现:当光丝距为1 mm时,焊缝底部存在气孔缺陷,这是光丝距过小导致匙孔不稳定而造成的工艺性气孔;当光丝距为5 mm时,两热源间距过大,导致两热源的耦合效率下降,熔深显著减小;当光丝距为3 mm时,焊缝无缺陷,且熔深最大。     

基于改进神经网络的激光焊接偏差智能识别研究

为保证激光焊接质量,需要有效识别激光在焊接过程中的焊接偏差,因此,采用改进神经网络模型实现激光焊缝偏差识别.构建激光焊接试验装置,采用302不锈钢板作为焊接试件,通过高速摄像机获取激光焊接过程中的熔池红外图像,并通过中值滤波算法对图像实行预处理后获取堆积热效应参数、匙孔质心参数、匙孔形变参数,以此作为改进神经网络模型的输入向量,实现激光焊接偏差识别.实验结果表示:该模型在隐含层单元数量为3、训练步数为240时训练误差较大程度接近目标值,且模型规则数量为4条时,可有效、精准地完成激光焊缝偏差识别.     

低合金高强钢激光填丝焊接工艺稳定性及组织性能研究

试验采用激光填丝焊接方法对低合金高强钢进行焊接,利用高速摄像研究了激光功率、送丝速度和离焦量等工艺参数对焊接过程稳定性的影响,并以优化的工艺参数获得了良好的焊接接头。结果表明：减小激光功率或增加送丝速度都能降低气孔率;当离焦量为0 mm时,气孔率最低。焊接稳定性依赖于熔滴过渡模式,当熔滴过渡模式为液桥过渡时,激光填丝焊接稳定性得到改善。激光填丝焊接接头的丝材熔化区为奥氏体和马氏体双相组织,激光作用区为马氏体单相组织,激光区显微硬度高于丝材熔化区。     

CO_2激光-MAG电弧复合焊接工艺参数对熔滴过渡特征和焊缝形貌的影响

以7.0 mm厚高强钢板为试验材料,采用CO2激光-熔化极活性气体保护焊(MAG)电弧复合焊接方法,研究了电弧能量、激光能量、光丝间距等参数对复合焊接熔滴过渡特征、工艺稳定性和焊缝形貌的影响。结果表明,CO2激光-MAG电弧复合焊接过程中,激光的加入,降低了激光匙孔附近等离子体通道的电阻,使电弧被吸引并压缩至激光匙孔处,从而使电弧阴极斑点更加稳定。电弧能量决定熔滴过渡的模式,激光能量主要影响熔滴的过渡频率。当电弧能量小于4 kW时,熔滴过渡模式为短路过渡和颗粒过渡或是二者的混合过渡;当电弧能量大于4.68 kW时,熔滴的过渡模式为射滴过渡。熔滴的过渡模式对获得稳定的可重复焊接工艺至关重要,射滴过渡比短路过渡更有利于焊接过程的稳定。热源间距保持在2~4 mm的范围内,避免熔滴干扰激光匙孔和熔池产生紊流。     

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。     

光纤耦合半导体激光的焊接性能

为了拓展半导体激光器在激光加工领域的应用范围,使其能够应用到厚板金属材料的焊接中,采用了Laserline公司研制的LDF4000-40光纤耦合半导体激光焊接系统,研究了其厚板SUS304奥氏体不锈钢的焊接性能。实验结果表明,其厚板SUS304奥氏体不锈钢焊接过程中完全能够形成匙孔效应,具有较强的穿透能力;相比于同等工作条件下的光纤激光,其焊接熔深有所减小,而焊接熔宽有所增加;焊缝成型及焊接过程稳定性要优于光纤激光,飞溅量明显小于光纤激光。由此证实了光纤耦合半导体激光器完全可以用于厚板金属材料的焊接。     

氦-氩混合保护气体对铝合金激光-MIG复合焊接特性的影响

研究了氦-氩混合保护气体对铝合金激光-MIG复合焊熔滴过渡行为及焊缝气孔缺陷的影响,结合焊接过程中匙孔的动态特征,分析了气孔缺陷得到抑制的原因。结果表明,采用氦-氩混合保护气体时,焊接过程匙孔更加稳定,焊缝气孔率得到有效降低。当氦-氩混合保护气体中氦气体积分数为50%时,熔滴过渡形式由射滴过渡转变为短路过渡,焊缝气孔率约为1.0%,相比于纯氩气保护时降低了80%;继续增加氦气,对气孔的抑制并无显著效果。纯氦气时,焊接过程中产生大量飞溅,焊缝表面成形差。     

大厚度不锈钢板的激光焊接

随着核电工业的发展,对厚板不锈钢的焊接要求越来越高,传统的弧焊方法效率低、变形大、组织粗大、抗核辐照性能差,难以满足使用要求.采用3500 W Slab及20 kW快轴流CO2激光器,研究了厚板万瓦级激光自熔焊接、窄间隙激光填丝焊接及激光-钨极氩弧焊(TIG)填丝复合焊接,实现了厚度超过10 mm的不锈钢对接焊,并对接头的显微组织和力学性能进行了研究.结果表明,激光焊接可以获得焊缝成型良好,无气孔、裂纹等缺陷的焊接接头;焊缝组织细小,热影响区窄,接头显微组织和力学性能优良.     

融合时序信息的激光焊接熔透状态识别方法

熔池/匙孔区域包含丰富的激光焊接质量信息,基于该区域对熔透状态进行准确识别对于激光焊接的在线控制至关重要。针对熔池区域存在蒸汽和飞溅等干扰且相邻的熔透状态之间特征区分度低带来的模式识别困难的问题,提出了一种融合时序信息的激光焊接熔透状态识别方法。所提方法以熔池/匙孔图像序列作为底层输入,首先通过两个卷积层和两个池化层提取熔池/匙孔图像的空域特征;其次通过双向长短时记忆神经网络提取熔池/匙孔图像的时域特征;最后将时空特征输入全连接网络进行特征降维并用SOFTMAX函数进行分类。所提方法建立了从熔池/匙孔图像到熔透类型的端到端的识别模型。试验结果表明,所提方法在测试集上的识别准确率达99.26%,对单幅图像的识别时间为9.43 ms,可满足在线监测的需求。进一步的对比试验表明所提方法对学习率和优化器的变化具有鲁棒性。     

6061-T6铝合金激光-电弧复合高速焊气孔形成及控制机制

采用激光-钨极氩弧焊(TIG)复合热源对6061-T6铝合金进行了高速焊接,研究了焊接电弧电流、激光脉宽及脉冲频率等工艺参数对气孔形成的影响规律。结果表明,在6061-T6铝合金高速激光-TIG复合焊中,焊接速度的提高使得熔池冷却速度加快,焊缝组织出现细小的等轴晶,热影响区的软化区宽度减小。熔池冷却状态的变化造成"匙孔"稳定性降低并容易坍塌,焊缝中极易形成气孔。随着激光脉宽的增大,焊缝中的气孔数量减少,尺寸减小;随着激光脉冲频率的增大,焊缝中的气孔数量先减少后增加;当电弧电流从180A增大到200A时,焊缝中的气孔数量明显减少。     

半球陀螺封装激光焊“错边”现象探析

半球陀螺激光封焊的主要缺陷是匙孔处凝固裂纹。为解决焊缝气密性难题,在运用激光焊接“小孔效应”原理对焊接过程进行理论分析及相关试验验证的基础上,探讨了焊接接头“错边”结构对防止热裂纹的机理,并据此提出了新的焊接结构。研究结果表明,新结构焊缝裂纹受到抑制,气密性得到了显著提高。     

铝硅涂层钢摆动激光填丝焊接接头组织和性能

采用摆动激光填丝焊接Al-Si涂层22MnB5钢，研究摆动频率对焊接接头的组织和力学性能的影响。并与常规激光自熔焊接（LW）进行对比，讨论摆动激光填丝焊接（OLFW）工艺对δ-铁素体的抑制作用。结果表明，LW焊缝表面出现下凹，而OLFW工艺能够改善焊缝成形，并降低焊缝中α-铁素体的含量。当摆动频率为200 Hz时，α-铁素体的体积分数最低（11.51%）。高含量的α-铁素体造成LW接头的平均硬度、抗拉强度、延伸率分别降低至392 HV、1440 MPa、1.92%。与LW相比，热冲压前摆动激光填丝焊接样品2(OLFW2)焊缝中Al的平均含量（质量分数）由2.16%降低至1.38%。热冲压后OLFW2接头的平均硬度、抗拉强度、延伸率分别提高至471 HV、1561 MPa、3.1%，分别提高了20.2%、8.4%、61.5%。焊缝中α-铁素体的形成和不均匀分布是造成LW和OLFW2接头断裂在焊缝的主要原因。     

水轮机叶片激光增材再制造的温度场与应力场仿真研究

水轮机转轮及叶片为水轮机的核心构件，但在水轮机长时间运转过程中易出现不同程度的空蚀现象。激光增材再制造技术由于具有效率高、热输入低、结合性能好等特点，可作为该类缺陷的有效修复手段。建立水轮机叶片激光增材再制造三维有限元模型，计算激光增材再制造区域温度场和应力场的瞬态分布规律。结果表明，激光增材再制造过程对水轮机叶片的温度、应力和应变影响主要集中在增材再制造区域附近。单道激光增材再制造热影响范围约为10 mm,四道激光增材再制造热影响范围上升至25 mm。此过程所产生的变形极小，在完成四道激光增材再制造后，中心横截面所产生的最大变形为0.15 mm,对水轮机叶片整体影响不大。