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.     

大功率盘形激光焊匙孔特征提取

在大功率盘形激光焊接过程中,匙孔形态与焊接质量之间有直接的关系。研究匙孔形态特征表征方法,对实时分析激光焊接质量具有重要意义。以10 kW大功率盘形激光焊接304不锈钢为试验对象,应用近红外高速摄像机摄取熔池动态热像,通过图像处理分割出匙孔。研究匙孔图像轮廓的链码特征,并且用链码统计概率描述匙孔轮廓特征,同时定义和提取包括匙孔面积、周长、质心、最前端点坐标、形状因子等匙孔特征。试验结果表明,所提出的方法能有效描述和分析匙孔的形态。     

大功率光纤激光焊匙孔形态频域分析

匙孔是激光焊接熔池形态的一个重要特征,与焊接的质量和焊接的状态有着密切的关系。本文以10kW大功率光纤激光焊接304不锈钢板为试验对象,应用近红外高速摄像机摄取焊接过程中的熔池图像,以匙孔面积和匙孔宽度作为匙孔形态特征参数,激光束与焊缝中心的偏差来反映焊接的稳定性。在频域内运用高斯高通滤波、高频加强滤波、灰度阈值分割、Canny边缘检测等方法获取匙孔特征参数。通过分析匙孔特征参数的变化,发现匙孔形态与焊接状态之间存在联系。试验结果表明,匙孔面积和匙孔宽度参数可有效反映大功率光纤激光焊接过程的稳定性。     

激光焊匙孔与飞溅形态分析方法

在大功率盘形激光焊接过程中,匙孔与飞溅形态和焊接质量以及焊接过程稳定性有密切联系。以大功率盘形激光焊接304不锈钢为试验对象,应用近红外波段高速摄像机摄取焊接过程中熔池动态热像,紫外波段和可见光波段高速摄像机摄取飞溅瞬态图像。通过计算机图像处理技术分析飞溅数量、面积与匙孔面积、质心特征参量,并与焊缝宽度的变化对比,探索匙孔与飞溅形态的波动规律。试验结果表明,匙孔和飞溅特征量变化规律有紧密关联,并能够对大功率盘形激光焊接304不锈钢板焊接质量的在线监控提供了试验依据。     

表面张力对激光焊接熔池及匙孔的影响

基于FLUENT19.0软件,建立了激光焊接热-流耦合模型,对比分析了不同表面张力温度系数(为负值)对熔池流场的影响.结果表明,随着表面张力温度系数的减小,熔池后方顺时针漩涡的流动趋势逐渐减弱,甚至消失,而且焊接飞溅的数量增多.纵截面熔池长度逐渐增加,纵截面熔池流体最大流动速度逐渐增大,熔池横截面的面积逐渐减小.当表面张力温度系数为-2.5×10^-4 N/(m·K)时,熔池长度平均值为3.28 mm、熔池流体最大流动速度的平均值为2.89 m/s、熔池横截面面积的平均值为4.52 mm²;当表面张力温度系数为-3.5×10^-4 N/(m·K)时,熔池长度平均值为3.73 mm、熔池流体最大流动速度的平均值为3.53 m/s、熔池横截面面积的平均值为4.03 mm²;当表面张力温度系数为-4.9×10^-4 N/(m·K)时,熔池长度平均值为4.14 mm、熔池流体最大流动速度的平均值为4.09 m/s、熔池横截面面积的平均值为3.28 mm².     

机身壁板结构双光束双侧激光焊工艺及设备研究进展

激光焊作为一种高质量、高精度、低变形和高速度的焊接方法,在航空制造业中的应用越来越广泛.机身壁板由铆接改为焊接,可以提高生产效率,极大地减轻构件的重量,同时具有更良好的气密性.采用双光束双侧激光焊接工艺生产的客机机身壁板蒙皮长桁连接结构整体壁板,已被空客多种成熟机型大量采用.文中主要介绍双光束激光焊接工艺以及相应的大型激光焊接平台的系统结构、特点和功能,从而对国内建设类似的大型激光焊接平台进行探讨性分析与建议.     

T形接头双光束激光焊变形计算方法

以厚度为2.5 mm的铝锂合金5A90薄壁T形接头双光束激光焊变形为研究对象,针对焊缝金属熔化及凝固引起的材料力学行为变化,考虑筋板与底板之间连接的实现过程,开发了双光束激光焊单元生死温度判别法,焊接过程中以单元瞬态温度为判据,对单元动态杀死和激活;对比了采用与不采用单元生死温度判别法的焊接变形计算结果,该两种计算方法在材料参数、几何模型、边界条件及初始条件等方面都完全相同.结果表明,是否采用单元生死温度判别法对T形接头双光束激光焊变形的计算结果有显著影响,并对这种影响进行了分析.     

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.     

铝合金双光束/单光束激光-TIG复合焊

针对4 mm厚5A06铝合金,分析了双光束光纤激光-TIG复合焊的焊缝成形特点、气孔率、匙孔动态特征及接头力学性能,并与单光束光纤激光-TIG复合焊对比。结果表明,在获得相同焊缝背面熔宽条件下,与单光束激光-TIG复合焊相比,双光束激光-TIG复合焊的焊缝背面成型连续性、均匀性更优且熔宽波动较小,焊缝气孔率降低50%以上,激光匙孔开口面积平均值更大,波动变异系数更小;双光束激光-TIG复合焊接头抗拉强度、断后伸长率、显微硬度、组织与单光束激光-TIG复合焊结果差别不大。     

铝合金双光束激光焊接过程稳定性分析

从成形、气孔、熔深的波动、激光匙孔、光致等离子体、飞溅等方面研究了铝合金高功率单光束激光和双光束激光焊接过程的稳定性。结果表明,在相同工艺参数下,双光束激光焊缝表面成形明显优于单光束,熔深的波动较单光束小;在相同工艺参数及相同熔深条件下,双光束焊缝气孔率较单光束小,小孔及等离子体的波动周期较单光束长,面积波动变异系数较单光束小,飞溅较单光束更加细小均匀。     

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.     

Dynamic keyhole profile during high-power deep-penetration laser welding

Based on a butt-joint configuration assembled from transparent glass and stainless steel, the dynamic keyhole profile was observed during 10-kW fiber laser welding. The “gauffers” and vapor flow on the front keyhole wall moved downwards to the bottom of the keyhole. The downward-flowing vapor met the upward-flowing vapor at the bottom of the keyhole, which resulted in a whirlpool of vapor. The suspended droplets were drove to move in a random fashion by the whirlpool. The fluctuating vapor flow and pressure were the key factors causing the fluctuating keyhole wall and resulting in a vapor-generated wave (VGW) on the rear keyhole wall. The dynamic VGW was a very important factor affecting the dynamic welding process. When the VGW broke at the keyhole outlet, it was accompanied by swellings, spatter, columns, a decrease of the diameter of keyhole inlet, and a change in the direction of plume.     

光纤激光焊接熔池和小孔的高速摄像与分析

采用主动光源和光学窄带滤光片等辅助器件,利用高速摄像技术对光纤激光焊接过程中的熔池和小孔进行了拍摄,获得了较为清晰的熔池和小孔图像,以及不同激光功率下光纤激光焊接熔池和小孔的实际尺寸,可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据。对高速摄像图片和焊缝熔深波动以及焊缝形貌进行了分析。结果表明:小孔前沿附近是光纤激光焊接过程中飞溅产生的主要区域;利用高速摄像可以监测焊缝的熔深变化;熔池温度最低的区域为熔池后部的中轴线两侧,而非熔池边界处。     

Nd:YAG激光深熔焊接过程中小孔的形态特征

通过图像处理得到了Nd:YAG激光深熔焊接过程中小孔内外边缘宽长比、内外边缘中心到激光光斑中心以及内外边缘中心之间的距离,并将其作为小孔的形态特征参数,研究了小孔形态随焊接工艺参数变化的规律.研究结果表明,激光功率的增大使小孔径向形状趋向圆形并使其在深度方向上的倾斜程度减小;在低速焊时,小孔形态基本不变,而在中高速焊接时,随着焊接速度的增大,小孔径向形状沿焊接方向拉长,小孔的倾斜程度也不断增大;在一定离焦量范围内,离焦量的变化对小孔在径向和深度方向上的形态影响较小.     

激光深熔焊接小孔的反射吸收

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，并根据观测到的小孔的形状和尺寸，计算比较了小孔孔壁的反射吸收以及由于热传导和对流所引起的热损失，分析了小孔形成时平衡表面张力的主要作用力，建立了基于小孔孔壁前沿能量平衡的自适应模型，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和手段。     

电子束深熔焊匙孔的研究现状

综述了电子束深熔焊匙孔特性及行为研究的现状.简述了国内外研究者在电子束匙孔形成机理及匙孔行为数值模拟研究领域已取得的部分研究成果,并对电子束深熔焊匙孔的进一步研究工作做了展望.指出在电子束深熔焊匙孔行为数值模拟研究中考虑到金属蒸汽流的作用,对于进一步揭示电子束深熔焊机理和匙孔的形成过程及其特性,控制熔透质量具有重要的理论意义.     

激光焊接瞬态小孔与运动熔池行为模拟

提出了一种三维瞬态小孔与瞬态熔池相结合的激光小孔焊接耦合数学模型.该模型综合考虑了多重反射菲尼尔吸收、小孔界面上的间断边界条件、金属蒸气/等离子体的辐射传热、Marangoni力、固-液相间的摩擦力、浮力、粘性力、蒸发潜热、熔化/凝固潜热,以及热传导、对流、辐射等多种因素对激光小孔焊接过程的耦合作用.采用水平集方法和快速扫描方法对小孔演化方程进行求解,得到了三维瞬态小孔形貌;并采用SOLA方法求解了瞬态熔池的三维传热和流动过程.结果表明,该模型能够较好地模拟激光小孔焊接中瞬态小孔和熔池的动态演化行为.     

激光深熔焊中匙孔形成过程的动态模拟

为了准确的模拟出激光深熔焊接中匙孔变化的动态过程,根据匙孔内激光的能量吸收机制,采用射线跟踪法产生热源,建立了激光深熔焊接过程中气、液、固三相统一的数学模型,并采用了VOF方法追踪自由液面,模型中考虑了表面张力、热浮力和反冲压力的作用,通过数值计算得到了匙孔变化的动态过程与相应的温度分布.结果表明,匙孔形成的主要驱动力是反冲压力,在加热初期,激光主要用来加热金属基体,随着激光辐照时间的增加,熔池表面温度急剧升高,金属进而汽化,产生匙孔.针对304不锈钢的工艺试验表明计算结果与实际相符合.     

激光深熔焊接抛物面小孔模型

激光深熔焊接由于其无与伦比的优良特性成为高功率激光工业应用的主要方面.在假设小孔为旋转抛物面结构的基础上,通过分析小孔内的压力平衡、蒸发压力、表面张力、能量平衡、小孔壁的温度以及小孔底部的能量平衡问题,采用数值迭代方法求解出小孔的深度和宽度.将焊接中的理论分析由假设小孔形状为圆柱面只能适合低速焊接推广到中高速焊接.计算了在不同焊接速度下小孔的深度、宽度以及与焊接试验的焊缝深度,与焊接试验中得到的结果进行了比较,理论计算结果也比较吻合实际焊接情况.