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。     

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。     

高速激光电弧复合焊接高强钢焊缝的形貌及成形机理

以3mm厚高强钢为试验材料,采用光纤激光-熔化极稀有气体保护焊电弧复合焊接方法,研究了焊速为5m·min-1时激光功率与电弧电压对焊缝形貌的影响,并与低速焊接中厚板得到的焊缝形貌进行了比较。研究结果表明,增大电弧电压和激光功率均能提高焊接过程的稳定性,获得良好的焊缝成形。在不同的热源位置下,焊缝形貌会出现浅"Y"型和深"Y"型的区别。通过高速摄影发现,当激光前置时,熔滴尺寸较大,且过渡时易发生汽化爆炸,对熔池的冲击较大;当电弧前置时,匙孔稳定存在,液态金属能沿着孔壁向下流淌,增大熔池底部面积。在低速焊接中厚板时,由于焊接线能量及工件的表面张力存在差异,焊缝形貌与高速焊接薄板时得到的形貌不一致。     

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。     

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。     

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。     

填材对激光焊接匙孔与熔池三维瞬态行为的影响

建立了填材送入过程的三维瞬态激光焊接热-流耦合模型与组合热源模型,在模型中引入了反冲压力、表面张力、热浮力、重力等焊接驱动力。采用流体体积方法追踪匙孔的气-液界面,研究了填材对匙孔三维形态和熔池流动行为的影响。研究结果表明,在激光填丝焊中,填材不利于维持匙孔的稳定性,容易出现匙孔底部闭合的情况;在激光自熔焊过程中,匙孔壁面呈现由内向外和由下向上的流动趋势,这有利于匙孔的稳定张开。     

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。     

局部负压激光焊缝成形特点及其影响因素

真空激光焊接具有更大的熔深和更小的气孔敏感性,为了利用真空激光焊接的优点,同时消除真空室尺寸对工件大小的限制,设计了局部负压激光焊接方法。此方法将负压腔与激光焊接头固定,通过真空泵对负压腔快速抽气从而在焊接熔池上方形成负压环境,在此环境下进行了一系列的激光点焊试验和连续焊试验,并与相同焊接参数下的常压和常压带侧吹条件的焊缝进行对比。通过高速摄影分析了负压环境下的金属蒸汽羽烟特点和熔池行为。结果表明,点焊时负压环境下金属蒸汽羽烟抑制效果明显,焊缝熔深增加,除去凹坑深度的焊缝熔深相比常压侧吹最大可增加4.5mm。连续焊时熔池后方匙孔闭合,金属液向后堆叠,获得的焊缝成型良好,负压下焊缝熔深比常压侧吹条件下平均增加2mm。     

CO2激光-MIG复合焊接射滴过渡的熔滴特性

本文以 5 .0mm厚LF6防锈铝合金板为试验材料 ,进行了CO2 激光 -MIG电弧射滴过渡的旁轴复合焊接试验。试验结果表明 ,在激光锁孔效应下 ,CO2 激光 -MIG复合焊接铝合金不仅具有在较宽的参数范围内焊缝成形美观 ,熔深熔宽增加 ,无气孔等优点 ;而且还发现 ,与单MIG焊接的熔滴过渡特性相比 ,复合焊接过程中一方面由于激光能量和激光锁孔效应产生的大量金属等离子体对熔滴的热辐射作用 ,促进了熔滴过渡 ;另一方面由于激光等离子体对熔滴的吸引力和金属蒸气对熔滴的反冲力又阻碍了熔滴过渡 ,两者综合作用改变了熔滴过渡方式和过渡频率。在此基础上 ,通过对复合焊接过程中焊接电流和电弧电压波形以及熔滴过渡特征的分析 ,进一步研究了激光功率、激光与电弧的作用位置以及激光束离焦量对复合焊接过程中熔滴过渡频率的影响规律。     

同轴监测激光深熔焊熔池小孔的特征分析

为了研究激光焊接工艺参量以及焊接材料对熔池、小孔形貌的影响,搭建了激光焊接同轴监测系统,对比研究了有无辅助光源和不同工艺条件下、采用中心波长分别为532nm和808nm窄带滤光片同轴监测的熔池、小孔图像特征。结果表明,采用808nm激光辅助光源照明和808nm窄带滤光片,可清晰地拍摄到熔池、小孔以及穿透孔特征图像;相同的工艺条件下,熔池变化小,小孔动态波动且波动幅度小,穿透孔的时变动态特征较小孔则明显不同;熔池宽度随激光功率的增加而增大,随焊接速率增大而减小;不同材料激光焊接的熔池、小孔和穿透孔的同轴监测验证了本监测系统的稳定性。该研究对激光焊接质量实时监控有理论指导意义。     

光丝位置对铝合金激光填丝焊接过程的影响

为了明晰光丝距离对激光填丝焊接过程影响规律, 采用高速摄像、外观检查、宏观金相等方法, 对3种光束模式下不同光丝距离与激光堆焊关系进行了理论分析和实验验证, 得到了光丝距离对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池波动和焊缝凝固的稳定性影响数据。结果表明, 光丝位置由相交(-5mm)向相离(+5mm)变化时, 熔滴过渡经历"液滴→液滴+液桥→液桥→液滴+液桥"阶段; 相同光丝距离时, 单光束激光模式、双光束激光串行模式和双光束并行模式的焊缝熔深依次降低, 甚至出现焊缝偏移和无熔深现象; 单光束模式和双光束串行模式对焊丝熔化和熔池的影响规律近似, 但双光束并行模式下具有特殊性; 单光束激光焊接时, 随着离焦量的增加, 焊缝的熔深由最大值409.8μm迅速减小到282.6μm; 双光束激光串行模式时, 焊缝的最大熔深仅为328.4μm, 随着离焦量降低而减小, 但正离焦量为焊缝截面呈现不对称状态; 双光束激光并行焊接模式时, 焊丝偏向小功率激光束时, 焊缝无熔深; 随着焊丝向大功率激光束移动, 形成仅有226.5μm小熔深焊缝。该研究为铝合金激光增材和焊接提供了参考。     

Infrared image recognition for seam tracking monitoring during fiber laser welding

Seam-tracking ability of a laser-welding system is important for welding process, and the accurate detection of deviations between the laser-beam focus and the weld seam position is prerequisite for seam-tracking control. Infrared image sensing and visual recognition techniques for real-time seam tracking monitoring during high-power fiber laser welding is researched to improve the accuracy of seam-tracking ability. Molten pool images are caught by an infrared sensitive high speed camera arranged off-axis orientation of a laser-welding head which is fixed to a robot. Through the image processing, the feature detection of a near-infrared image is used in visual tracking. The gray-value gradient of near-infrared image is calculated and the keyhole margin of a molten pool is also detected. Combining the gradient and keyhole margin of a molten pool image, the thermal gradient parameter based on the thermal distribution of a molten pool is extracted. As a visual feature in robot control system, this parameter can be used to determine the deviations between the laser-beam focus and the weld-seam center. In comparison with direct detection of the narrow gap position, this parameter can be measured easily and the delay error resulted from the forerun of the sensor can be eliminated. This provides a practical approach to detect the deviations and the possibility to adjust the laser-beam focus position in real time, which can sensibly promote seam tracking accuracy. The proposed algorithm is tested during a butt-joint laser welding of Type 304 austenitic stainless steel plates at a continuous wave fiber laser power of 6 kW and 10 kW. Its effectiveness is confirmed by the welding experiments.     

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。     

大功率激光作用下小孔形成数值模拟

激光深熔焊以小孔效应为特征,小孔使得激光束流与被焊接材料之间的耦合效率大大提高。小孔内的逆轫致吸收使得激光能量逐步衰减。另一方面,小孔内等离子体向熔池传热,起到焊接内热源的作用。因此,利用建立组合体热源模型,选择旋转高斯热源和双椭球形体热源模拟激光能量的分布,结合SIMPLE算法,求解不可压缩流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,得到了大Péclet数下的小孔形态。模拟结果显示,控制容积法中的体热源传热方式不同于有限元法的表面热流密度分布方式。最后,将模拟结果和钛合金激光焊接的焊缝形状和尺寸进行了对比,说明所选择的体热源模型在激光深熔焊模拟中具有较好的适应性。     

CO2激光-MAG电弧复合焊接过程中熔滴受力及过渡特征研究

以5.0mm高强钢板为试验材料,进行了CO2激光与金属活性气体(MAG)电弧复合焊接试验。通过高速摄像和熔滴的受力分析研究了激光能量、电弧能量、光丝间距对复合焊接过程中熔滴过渡特征的影响。结果表明,激光的加入稳定了电弧,降低了射滴过渡的临界焊接电流值,由于激光对电弧的引导和压缩作用,改变了熔滴内电流线分布及电磁收缩力的大小及方向,进而影响了熔滴过渡特征。同时激光匙孔中喷射出大量的金属蒸气产生反作用力,改变了熔滴原来的受力状态,使熔滴过渡模式发生改变。随着焊接电流的增加,电弧变得更加稳定,能量更加集中,等离子体流力成为熔滴过渡的主导力。光丝间距的大小影响了熔滴过渡的频率,在光丝间距为4mm时熔滴频率最大。     

激光深熔焊细长小孔数值模拟与试验研究

为了准确模拟焊接过程中小孔的瞬态形成过程,采用水平集法追踪小孔气/液界面,运用混合理论处理固/液相变,建立了气、液、固三相耦合模型。该模型综合考虑了表面张力、浮力、反冲压力、固/液间摩擦力、潜热、对流以及辐射等影响因素,数值计算得到小孔演变的动态过程和孔内外金属蒸汽行为。模拟发现,小孔形貌瞬态变化,前后壁凹凸变形,逐渐趋于稳定,孔径约为1mm;金属蒸汽与小孔相互影响,最大蒸汽速率为5.3m/s。采用改进的"三明治"方法进行激光焊接实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。结果表明,水平集法追踪小孔自由界面在激光深熔焊模拟中具有良好的适用性。这为小孔的研究提供了理论依据。     

激光-MIG复合热源焊接熔滴过渡力学行为分析

针对激光等离子体和电弧等离子体共同作用下的熔滴过渡，根据气体动力学和静态力学平衡理论，对CO2激光-惰性气体金属弧焊(MIG)复合焊接过程中熔滴的复杂受力状态及其力源的产生与作用原理进行了深入分析。结果表明，一方面由于激光焊接过程中材料剧烈气化时产生的大量金属蒸气射流，对熔滴形成了巨大的反冲作用力，阻碍了熔滴过渡;另一方面，由于激光焊接产生的等离子体改变了原有惰性气体金属弧焊电弧等离子体形成路径，从而改变了原有焊接熔滴中的电流密度分布和流向而形成了一个新的复合电弧收缩力。两者综合作用降低了复合焊接熔滴过渡频率，破坏了焊接稳定性。在此基础上，进一步研究了焊接参数对金属蒸气反作用力、复合电弧收缩力等的影响规律，并采用数值分析的方法推导出了它们的数学描述;定量分析了复合热源作用下熔滴的受力机制，揭示了复合热源焊接过程中熔滴受力状态与焊接稳定性之间的内在关系。     

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。