脉冲激光离散熔凝加工的熔池几何形态研究

研究了Ｎｄ：ＹＡＧ脉冲激光离散加工时功率密度和作用时间对熔和何形态的影响。５ＣｒＭｎＭｏ钢的实验结果表明：在一定加工条件下,熔池存在热传导热和溶熔型两种形态。     

光纤激光工艺参数对Q235钢穿透点焊缝形状和尺寸的影响

为了研究光纤激光工艺参数对穿透点焊缝形状和尺寸的影响，采用单因素试验方法，进行了不同激光功率、摆动幅度和焊接时间下的穿透点焊试验，分析了激光的功率密度分布、点焊缝的形状和尺寸的变化规律。结果表明，光纤激光光斑内的功率密度分布影响点焊缝的形状和尺寸。随着激光功率的增大，未摆动高斯光束形成点焊缝的形状由抛物线状逐渐转变为钟铃状，点焊缝的熔宽、熔深、深宽比和熔宽比都随之增大。光束摆动增大了激光与材料的作用面积，改变了功率密度分布和点焊缝的形状和尺寸。随着摆动幅度的增大，点焊缝的形状由钟铃状逐渐转变为碗盆状，点焊缝的熔深和深宽比都逐渐减小而熔宽比逐渐增大。当激光功率密度不变时，焊接时间对点焊缝的形状影响不大。随着焊接时间的增大，点焊缝的熔深和熔宽都逐渐增大，但深宽比基本保持不变。     

A-TIG焊中氧含量对熔池流动方式影响的数值模拟

建立了三维移动热源作用下焊接熔池的数学模型,模拟了不同氧含量下熔池中的速度场和温度场.结果表明,氧化物活性剂中的氧元素改变了熔池中的表面张力温度系数,从而影响熔池中的流动方式,是熔深和深宽比增加的重要原因;随着氧含量的增加,深宽比和熔深急剧增加,熔宽减小.当氧含量超过150×10-6时,增加氧量,熔池表面最高温度减小,并逐渐趋于一定值;当氧含量超过200×10-6时,深宽比、熔深和熔宽趋于一定值;氧含量小于300×10-6时,熔池表面最高温度高于正表面张力温度系数作用的温度范围,正、负表面张力温度系数在熔池中同时存在.当氧含量超过300×10-6时,熔池表面最高温度处于正表面张力温度系数作用的温度范围之内,熔池中的表面张力温度系数为正值;随着氧含量的增加,在熔池中出现数目、大小、方向、位置不同的涡流,当两个涡流的方向均由熔池边缘流向熔池中心的环流时,涡流有效地把电弧能带到熔池底部,产生较大的熔深和深宽比.     

脉冲激光与电弧布置方式对铝合金焊接熔滴过渡与焊缝形貌的影响

以2219铝合金为基板，研究了不同脉冲激光-电弧布置方式下的熔滴过渡与焊缝形貌特征，分析了熔深增加的机理. 结果表明，当脉冲激光照射母材时，脉冲激光主要提供对母材的热输入，母材温度的增加有助于促进熔滴铺展，稳定熔滴过渡过程；当脉冲激光照射熔滴缩颈时，主要提供对熔滴的力输入，蒸发反力的作用下形成"一脉一滴"，显著提高熔滴过渡频率与熔滴飞行速度，增加了熔滴对熔池的冲击力，熔深增加；当脉冲激光交替的照射熔池和熔滴时，一方面能够对母材进行加热，有助于熔滴的铺展，另一方面能够提高熔滴过渡频率，提高焊缝的均匀性.     

小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊的电弧及熔池行为研究

利用小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊在2mm厚度的不锈钢上进行堆焊,研究脉冲激光束(持续时间4 ms、峰值300 W、频率15 Hz)对电弧形态、熔池行为和焊缝成形的影响。结果表明,脉冲激光加入后,电弧中心高温区发生膨胀,并将电弧阳极斑点稳定在激光斑点处,TIG电压发生升高。当脉冲激光作用到熔池上时,熔池液态金属迅速向后方流动,熔池长度迅速增大;激光脉冲消失1ms后,熔池长度才开始逐渐减小,2 ms后液态金属向前回流,致使焊缝表面形成了鱼鳞纹,改善了焊缝表面成形。激光-TIG电弧复合焊的熔深是TIG焊的1.77倍,是激光焊熔深的2.6倍。而在相同熔深下,复合焊接速度比TIG焊提高了50%。     

峰值功率和脉冲宽度对激光焊接质量的影响

基于有限元法,以峰值功率和脉冲宽度为参数,建立了304不锈钢薄板激光焊接有限元模型,并进行瞬态热分析,获得了各参数对熔池形状和温度的影响规律。基于正交试验设计,分析了各参数对熔池形状和温度的影响程度,并得出最优参数组合。结果表明:随着峰值功率和脉冲宽度的增加,熔宽、熔深、深宽比和熔池温度增加,当峰值功率为280 W,脉冲宽度大于或等于4 ms时,熔池温度超过材料沸点;峰值功率对熔池形状和温度的影响较脉冲宽度大,最优参数组合为峰值功率为240 W,脉冲宽度为5 ms。分析结果可为激光焊接304不锈钢工艺参数的选择提供理论依据和技术指导。     

脉冲电流频率对TC4钛合金焊缝成形的影响

基于超高频脉冲钨极氩弧焊技术,完成了TC4钛合金焊缝熔透特性试验,研究分析了脉冲电流频率对焊缝成形参数的影响及其作用规律.结果表明,脉冲频率f≤65kHz时,熔深、熔宽随脉冲频率的变化趋势基本一致,与常规直流相比,熔宽至少降低了12%;当f处于20~40 kHz的范围内,深宽比上升趋势明显,脉冲频率进一步增加,深宽比的变化趋于稳定;f>70 kHz时,熔宽最大减小了约35%,熔深小幅增长,深宽比提高显著.结合电弧形态试验结果分析发现,超高频脉冲电流引起的电弧形态变化是焊缝成形随脉冲频率变化的主要原因.     

激光焊接工艺参数对Cr13Mo1Si1V1钢焊缝成形的影响

对Cr13Mo1Si1V1钢进行激光焊接,研究脉冲能量和脉冲宽度对焊缝横截面尺寸的影响规律。结果表明,当激光脉冲能量增大时,焊缝熔宽明显增大,熔深和下凹深度稍有增加,焊缝深宽比减小;当脉冲增度增加时,熔深有所增加,但在其他工艺条件不变的情况下,脉冲宽度的增加有一个临界值,脉冲宽度增至临界值后,熔深反而变浅。     

厚钢板的激光焊接

根据能量平衡原理研究了厚钢板激光深熔焊接的热源模型，得出了激光功率与光斑大小、焊接速度等因素的关系，并对激光光束质量进行了讨论。试验采用非稳腔输出的６～８ｋＷ高功率高质量的激光焊接厚４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ的Ａ３钢板，其焊接速度分别为３．２ｍ／ｍｉｎ、２．２ｍ／ｍｉｎ、０．９ｍ／ｍｉｎ，焊接深宽比均超过２１，其中６ｍｍ钢板深宽比达到４１。着重研究了激光焊接工艺，并对焊接试样进行了拉伸强度测试和过轧机试验     

交变电流辅助激光熔覆的基体电场仿真

利用有限元法在ANSYS环境中模拟了不同厚宽比、不同频率下的电流分布。结果表明,厚宽比大于1的情况下,电流分布更适合于交变电流辅助激光熔覆试验。此外,当交变电流频率增加时,基体表面的最大电流密度也随之增加,这将有利于更好地将电流作用于激光熔覆的熔池。此外,验证试验表明,在激光熔覆过程中施加交变电流,可使激光熔覆层中的孔隙率降低,并能细化晶粒。     

Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in GTA/Laser hybrid welding

Abstract

In order to understand the temperature fields, cooling rates and mixing in the weld pool, a comprehensive, three-dimensional heat transfer and fluid flow model is developed and tested by comparing model predictions with two sets of experimental data. The first set of data was taken from the literature. The experiments varied the separation distance between the heat sources for three arc current levels at a constant laser power. The second set of experiments analysed the effect of varying laser power for a constant heat source separation distance. The results demonstrate that the distance between the two heat sources significantly affects the cooling rates. The calculated results showed that the hybrid weld pool was very well mixed with strong convection currents resulting from the interaction between the electromagnetic and Marangoni forces. The calculated and experimental results showed that hybrid welding increases the weld pool width and gap bridgability when compared with laser welding. The weld pool depth in hybrid welding was affected mainly by the characteristics of the laser beam. Hybrid weld pool penetration depth is maximised at an optimal distance between the arc electrode and laser beam. The cooling rate increases significantly when the heat sources are separated beyond a critical distance. At close separation between arc and laser, calculations show that the arc radius must be decreased to achieve the observed weld depths.     

激光处理对4Cr3Mo2NiVNb钢磨损性能的影响

研究不同激光加工参数下4Cr3Mo2NiVNb钢表面的非光滑单元体的特征(包括宽度、深度、面积比及体积)、组织、硬度以及材料的磨料磨损性能.结果表明,在额定功率范围内,频率不变时随电流强度和脉宽增加,单元体变宽,体积变大,组织变粗大,硬度降低,非光滑材料磨损性能提高.当电流增大到200A、脉宽增大到15 ms后,非光滑材料的磨损性能提高幅度趋于平缓.所研究范围内300A和20 ms下获得的非光滑试样磨料磨损性能较好.非光滑材料磨损性能改善程度是非光滑单元体特征、组织及硬度综合作用的结果.     

网格尺寸对双椭球热源模型作用下焊接温度场计算的影响

文中以Q345E薄板对接焊焊接过程为研究对象,基于双椭球功率密度分布体热源模型,利用ABAQUS有限元软件建立其1/2模型,通过数值模拟研究了不同网格尺寸对焊接温度场的计算精度和计算效率的影响,结合数值积分计算,分析比较了不同网格尺寸下,理论热输入与实际热输入的差别,提出了适宜的网格尺寸.计算结果表明,随着网格尺寸的不断减小,收敛时间变长,CPU计算时间变长,焊接温度场的最高温度、焊接熔池的宽度和深度减小;当网格尺寸减小至双椭球功率密度分布热源深度方向长度的1/2时,理论热输入与实际热输入偏差较小,得到的焊接温度场最高温度、焊接熔池宽度和深度也趋于恒定.     

铍的Nd:YAG激光焊接阈值功率影响因素

利用Nd:YAG激光焊接了铍环,研究了不同激光入射角度和铍环直径变化对阈值功率变化的影响,得到了铍在激光焊接过程中阈值功率密度变化规律.结果表明,铍环直径大小对阈值功率密度有显著影响,随着铍环直径的增加,铍环的曲率减小,由背反射引起的调Q脉冲增强,导致出现深熔焊的阈值功率密度降低.对同一直径的铍环,激光入射角度从0°调整到3°后,由于消除了背反射激光在谐振腔内形成调Q脉冲,激光焊接时出现深熔焊的临界功率密度增加.深熔焊形成的焊缝深宽比值较大,为1.0～1.5,而热传导焊形成的焊缝深宽比值较小,只有0.2左右.     

Effect of laser spot weld energy and duration on melting and absorption

Abstract

To facilitate pulse Nd–YAG laser spot weld development, it is common practice to adjust the pulse energy, duration, and focus spot size. An accurate understanding of the effect of these parameters on melting, weld appearance, and heat input is thus required. Calorimetric measurements of the net heat input to 304 stainless steel workpieces for laser spot welds have been completed. A pulse Nd–YAG laser was used with varying pulse energies from 1 to 5·5 J, and pulse durations of 2·2 and 7·0 ms. Measurements showed the absorption for spot welds produced using the pulsed Nd–YAG laser to vary from 38 to 67% and to be relatively insensitive to beam intensity. Analysis of the continuous point source equation for conduction heat flow in solids was used to predict the weld size for the pulse energy and duration measured in the experiment. Calculations of the weld pool volume from the weld metallography were used to determine the melting for each spot weld. Comparisons of the measured weld size with the three-dimensional model predicted size indicated that the observed weld pools are larger than is expected from the measured workpiece energy. Analysis of the experimental data and the theoretical model has revealed a substantial increase in melting for short duration pulses versus long duration pulses of the same energy. The benefit of laser spot welding parameter optimisation is hence indicated.     

PMMA与304不锈钢激光焊接

研究聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)塑料与304不锈钢激光焊接热传导技术,采用正交试验法分析聚甲基丙烯酸甲酯和304不锈钢之间的焊接质量. 对焊接后的试样进行拉伸测试和切片试验,用能量密度定量判定焊接结果,分析多种焊接因素对抗拉强度和焊缝宽度的影响. 利用正交试验极差分析法对试验数据进行处理,获得透明聚甲基丙烯酸甲酯和304不锈钢之间激光热传导焊接的最佳焊接工艺参数. 结果表明,焊接因素对焊接强度的影响从大到小的顺序为焊接速度、脉冲宽度、保护气体流量、峰值功率、光斑直径和脉冲频率.     

激光焊接中的等离子体与小孔行为分析

试验采用光、声信号检测设备,对1.8 mm镀锌钢板的CO₂激光焊接过程中的蓝紫光信号、红外辐射信号、可听声信号进行了高速采集,对比激光深熔焊与热传导焊过程中三路信号的联系与区别,分析研究了激光深熔焊过程的小孔与等离子体产生过程的瞬态行为.结果表明,等离子体与小孔并不总是同时产生,等离子体要先于小孔产生,热传导焊过程中也可能存在等离子体,在试验条件下,等离子体在激光作用于工件后3~4 ms产生,稳定的小孔在焊接后约14 ms后形成,并且激光焊接中产生等离子体的激光功率密度阈值要小于产生小孔的阈值.     

铝合金脉冲YAG激光焊脉冲调制参数对焊缝形状参数的影响

以2mm厚LF3铝合金薄板为对象,研究了在平均功率和焊接速度不变时脉冲YAG激光焊脉冲调制参数(脉宽、频率及单脉冲能量)对热导焊缝形状参数(熔深、熔宽及深宽比)的影响规律,并结合脉冲激光焊间断作用的特征,引入"有效峰值功率密度"综合考虑焊接速度、频率、脉宽以及光斑大小对焊缝形状参数的影响.此外,还对脉冲激光焊所形成的特殊的层状焊缝形貌进行研究和分析.结果表明,焊缝形状参数受脉宽及峰值功率密度双重作用的影响.脉冲焊得到的焊缝呈现多层状形貌,层数随频率升高而增多.     

镁合金低脉冲激光-气体混合焊的熔池形貌演变和多级调控

利用基于COMSOL Multiphysics的脉冲激光-气体钨极电弧（GTA）混合焊接新型双热源模型,分析了焊缝沿线选定点的温度分布,研究了激光脉冲参数和电弧电流对熔池形貌的影响。工艺参数对熔池深度的影响由大到小为：激光激励电流>电弧电流>激光脉冲宽度>激光脉冲频率;工艺参数对熔池宽度的影响由大到小为：电弧电流>激光脉冲宽度或激光激励电流>激光脉冲频率。在此基础上,构建了激光诱导电弧焊接镁合金熔池形貌数据库体系,通过复合热源参数的分级调控,以实现对熔池形貌的精准控制。利用T形焊接熔池来验证熔池形貌的调控效果,结果表明控形的准确度高至95.1%。     

Simulation of nitrogen transport and desorption in laser welds of 21Cr–6Ni–9Mn stainless steel

Loss of nitrogen is a concern when welding nitrogen strengthened stainless steel alloys. Building on the current understanding of the underlying mechanisms, a three-dimensional simulation of conduction mode laser weld pool development using the volume of fluid technique was developed. Weld pools formed by a moving Gaussian heat input for two different laser power densities were simulated and the transport and surface desorption of nitrogen was tracked using nitrogen macroparticles. The penetration depth and width of the weld pool predicted by the simulation was comparable to the data derived from macrographs of welds made on nitronic 40 alloy. Additionally, the 25–32% predicted decrease in nitrogen composition of the weld fusion zone by the new rate law is comparable to the literature.