Numerical simulation of full penetration laser welding of thick steel plate with high power high brightness laser

Full penetration laser welding was carried out on a 10 mm steel plate using a 16 kW maximum power continuous wave thin disk laser. Upper surface and lower surface of molten pool were observed synchronously with two high speed CCD cameras during the welding process. The lower surface was much longer and more unstable than the upper one. A three dimensional laser deep penetration welding model in which volume of fluid (VOF) method was combined with a ray-tracing algorithm was used to simulate the dynamic coupling between keyhole and molten pool in laser full penetration welding. The calculated weld cross-section morphology and molten pool length on both upper side and lower side agree well with experimental results. Evolution of molten pool in lower side during full penetration laser welding was analyzed, periodical features of energy coupling, molten pool behavior and keyhole dynamics in laser full penetration welding were identified and discussed.     

激光焊接体能量及其对激光深熔焊缝熔深的影响

定义焊接体能量用来综合评价激光焊接过程中激光功率、焊接速度、离焦量及焦点尺寸等焊接工艺参数对激光深熔焊接过程的影响,并分析了焊接体能量对激光深熔焊缝熔深的影响.焊接体能量与激光功率成正比、与焊接速度成反比、与离焦量成四阶指数关系,与焦点尺寸成平方关系.结果表明,在激光深熔焊接过程中,焊接体能量决定焊缝熔深;随着焊接体能量的增大,焊缝熔深近似呈线性增大.     

低成本Q500E低合金高强度厚钢板的开发

为开发低成本Q500E低合金高强度厚钢板,系统研究了未再结晶区变形量和变形后冷却速率对一种低合金钢奥氏体连续冷却相变(CCT)行为和组织变化规律的影响。通过系列TMCP试验,探讨了精轧温度对试验钢板显微组织和力学性能的影响。结果表明,未再结晶区变形量、变形后冷却速率和精轧温度均能显著影响试验钢的显微组织和力学性能。生产低成本Q500E厚钢板的TMCP工艺为:在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段轧制,精轧温度800～850℃,精轧压下率75%,轧后以高于10℃/s的冷却速率冷却至450～500℃。     

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对H300LA和H420LA热轧原料钢激光焊接组织性能进行探讨。采用激光焊机对热轧原料钢进行了焊接试验,采用扫描电子显微镜观察焊缝组织,使用维氏硬度计进行焊缝力学性能测试,利用杯突试验进行焊缝的深冲压性能测试。结果表明:焊接接头组织均为柱状晶粒,遵循凝固理论。H300LA焊缝组织以针状铁素体和低碳马氏体为主,热影响区以条块状铁素体和珠光体为主;H420LA焊缝组织以层片状珠光体和低碳马氏体为主,热影响区以铁素体、珠光体和低碳马氏体为主。在垂直于激光焊接焊缝方向呈现3个区域:焊缝区、热影响区和基体;在平行于激光焊接焊缝方向上,焊缝中心区域硬度值无明显变化。焊缝均具有良好的深冲压性,未出现裂纹延焊缝扩展的现象。     

Q390低合金高强钢厚板热处理工艺

采用显微组织观察和力学性能测定,研究了不同热处理工艺对Q390低合金高强钢厚板组织和力学性能的影响.结果表明,经920℃×36 min正火,可使Q390低合金高强钢厚板热轧态中的混晶组织经完全奥氏体化后实现晶粒细化,在随后的冷却过程中转变为多边形铁素体和珠光体;获得良好的综合力学性能,伸长率和冲击韧性都比热轧态提高很多;并完全消除拉伸断口分层现象.     

TRIP800高强度钢激光焊工艺

针对TRIP800高强度钢进行激光焊接工艺研究。实验结果表明:1.8 mm厚的TRIP800高强度钢在纯度大于99.9%的氩气保护下,采用光纤激光器焊接,在焊接速度7 mm/s、激光功率570 W、离焦量0 mm的工艺参数条件下可以获得优质的焊缝;焊接接头的抗拉强度660 MPa,断裂方式为塑性断裂。最佳工艺参数条件下的焊缝硬度呈现"M"形分布,接头的最高硬度出现在热影响区,焊缝区硬度较高,母材硬度最低。     

厚板Ti6Al4V合金低真空激光焊接接头组织及力学性能

采用低真空激光焊接技术对40 mm厚Ti6Al4V合金进行焊接,对比分析不同位置的微区组织与力学性能. 结果表明,母材由等轴初生α相和β转变组织组成,热影响区组织为α相、残余β相和急冷准稳态的α'马氏体,焊缝熔凝区组织主要包括不同尺寸及分布状态的α'马氏体以及慢冷却速率下形成的α相. 焊接接头抗拉强度平均值为988 MPa,断裂位置均位于母材. 焊缝上部和中部焊缝区的平均冲击吸收能量为28.8 J,明显优于下部24.8 J. 焊缝熔凝区底部区域存在细长状、密集程度较高的α'马氏体会劣化材料冲击韧性. 相比之下熔凝区中、上部形成的短粗状、密集程度较低的α'马氏体组织的冲击韧性较高, 为Ti6Al4V合金板材的连接及进一步提高接头的力学性能提供了数据支撑及相关理论依据.     

Formation mechanism of transverse crack in repair welding for thick plate of Q345 high strength steel

Transverse cracks occur usually in repair welding for thick plate of high strength steel.It needs multiple times of repair welding.The quality of production and deliver deadline will be influenced.Ther...     

镍箔中间层对不锈钢/铝合金激光深熔焊的影响

以不锈钢201和铝合金5052作为试验材料,添加镍箔作为中间层,配合钢上铝下的搭接接头形式,采用激光深熔焊方法进行了焊接试验,分析了热输入对焊缝成形的影响以及添加镍箔后接头力学性能与不锈钢／铝合金焊接性的变化,并提出了焊缝下凹深宽比r以表征焊缝对应力集中的敏感程度．结果表明,热输入升高会导致焊接过程中飞溅增加,焊缝宽度与下凹程度增大,熔穿深度升高;不锈钢焊缝金属嵌入到铝合金内的熔穿深度对焊缝的力学性能有着重要的影响;镍中间层的添加有效地改善了接头力学性能,扩大了可用的工艺参数范围．     

低合金高强钢激光-电弧复合热源焊接冷裂纹敏感性分析

通过扩散氢含量测定,并利用经验公式计算JFE980S低合金高强钢冷裂纹敏感性和焊前预热温度,同时采用斜Y形坡口试验、金相试验以及残余应力测定等方法,研究低合金高强钢抗冷裂性能,对比分析了激光-电弧复合焊和MAG焊工艺对接头抗冷裂性能的影响.结果表明,激光复合焊抗冷裂性优于MAG焊方法.因复合焊加入了激光,使得焊缝熔深增加,拘束减小,并且激光在前,对焊接试板有一定的预热作用,使冷裂纹形成倾向进一步降低,特别是在无法预热的情况下,激光复合焊更能够体现出优势.     

高强度低焊接裂纹敏感性钢焊接热影响区的冲击韧度

采用埋弧自动焊接方法焊接高强度低焊接裂纹敏感性钢,分析了高强钢焊接热影响区中不同微区的显微组织特征与冲击韧度之间的关系.焊接接头粗晶区和细晶区的显微组织分别为粗大的粒状贝氏体和细小的准多边形铁素体组织,其-20℃的平均冲击吸收功分别为45 J和170 J.粗晶区中粒状贝氏体的有效晶界为原始奥氏体晶界,晶内存在大量的小角度晶界和亚晶界,有效晶粒尺寸较大,冲击韧度显著降低;细晶区中准多边形铁素体的平均有效晶粒尺寸约为5.3μm,大角度晶界可以有效阻碍了裂纹的扩展,具有较好的冲击韧度.     

K418与42CrMo异种金属激光深熔焊接

研究了连续波Nd:YAG激光焊接功率、速度、离焦量和侧吹保护气流量对激光深熔焊接K418与42CrMo异种金属焊缝形貌、焊缝熔深的影响,讨论了焊缝区热裂纹产生机制.结果表明,额定功率为3 kW的Nd:YAG激光深熔焊接K418与42CrMo异种金属,由于它们的物理化学性质的差异,焊缝靠近42CrMo侧易出现未熔合;激光光斑向42CrMo侧偏移可以减少焊缝靠近42CrMo侧未熔合量;通过优化侧吹保护气流量和离焦量可以增加熔深.由于K418液态金属的流动性差,导致焊缝靠近K418侧对流传热不充分,使焊缝靠近K418侧熔合线呈现锯齿形.焊缝区热裂纹的产生主要是由于焊缝区元素偏析形成的低熔物导致.     

大功率光纤激光焊熔透状态模糊聚类识别方法

熔透是评价激光焊接质量的重要因素,但在焊接过程中难以直接检测熔透状态.以大功率光纤激光焊接304不锈钢紧密对接焊缝为试验对象,研究一种基于熔池红外热像的熔透状态识别方法.采用红外摄像机摄取焊接区域熔池动态图像,提取熔池特征量,应用模糊聚类算法分析熔池特征量与熔透状态之间的关系,使用模糊C-均值（FCM）和Gustafson-Kessel（GK）两种模糊聚类法建立熔透状态识别模型.激光焊接试验结果表明,熔池表征与熔透状态之间存在密切关联,通过GK模糊聚类算法建立的模型对熔透状态能达到78%以上的识别率,为大功率光纤激光焊接过程熔透状态的识别和控制提供试验依据.     

热轧高强钢DP780的激光焊接接头组织及性能研究

采用12000W的CO2激光器,通过激光焊接+激光热处理的工艺对热轧高强钢DP780进行激光填丝焊接试验研究,利用光学显微镜、显微硬度计、万能试验机、抗凹试验机等分析测试手段,研究DP780-DP780自焊和DP780-SPHC过渡焊的焊接接头宏观、微观组织特点及接头力学性能的差异。试验结果表明:不同匹配方式的焊缝组织均由板条马氏体和贝氏体构成,DP780-DP780时焊缝中心到两侧母材的金相组织、显微硬度值分布均匀,焊接接头的力学性能优于母材;DP780-SPHC时焊缝中心到两侧母材的金相组织、显微硬度值均有较大差异,接头的力学性能略高于SPHC母材。     

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.     

差厚高强钢激光拼焊板拉伸失稳行为研究

对0.7mm/1.0mm厚度组合的B170P1钢激光拼焊板试件进行半球凸模胀形试验,分析不同应变状态下拼焊板的变形、失稳特点及应变分布情况,研究其拉伸失稳规律。研究表明,拼焊板试件的变形失稳主要发生于薄侧母材,且随应变状态由单拉向平面等双拉的转变,应变分布趋于均匀,失稳位置向焊缝靠近;在变形过程中,靠近焊缝的薄侧母材在平行于焊缝方向的变形受到厚侧母材及焊接区的影响,其应变路径快速向平面应变漂移,达到成形极限状态,降低了拼焊板的成形性能。焊缝的存在导致差厚激光拼焊板各部分变形不均匀,在差厚激光拼焊板的实际应用中,应采取适当措施抑制薄侧母材的局部变形,增加厚侧母材塑性变形的比例,提高差厚拼焊板的冲压成形性。     

Numerical simulation of molten pool dynamics in high power disk laser welding

A single-phase problem is solved rather than a multiphase problem for numerical simplicity: and the solution is based on the assumption that the region of gas or plasma can be treated as a void because solid or liquid steel has a greater density level than gas or plasma. The volume-of-fluid method, which can calculate the free surface shape of the keyhole, is used in conjunction with a ray-tracing algorithm to estimate the multiple reflections. Fresnel's reflection model is simplified by the Hagen-Rubens relation for handling a laser beam interaction with materials. Factors considered in the simulations include buoyancy force, Marangoni force and recoil pressure; furthermore, pore generation is simulated by means of an adiabatic bubble model, which can also lead to the phenomenon of a keyhole collapse. Models of the shear stress on the keyhole surface and of the heat transfer to the molten pool via a plasma plume are introduced in simulations of the weld pool dynamics. Analysis of the temperature profile characteristics of the weld bead and molten pool flow in the molten pool is based on the results of the numerical simulations. The simulation results are used to estimate the weld fusion zone shape; and the results of the simulated fusion zone formation are compared with the results of the experimental fusion zone formation and found to be in good agreement. The effects of laser beam profile (Gaussian vs. measured), vapor shear stress, vapor heat source and sulfur content on the molten pool behavior and fusion zone shape are analyzed.     

激光深熔焊运动熔池瞬态形成过程数值模拟

考虑到表面张力、浮力、液-固相之间内作用力、焊接速度、紊流、对流以及辐射等影响因素,建立激光深熔焊接过程运动熔池的数学模型,并对熔池的温度、流动、焊缝形貌的动态演化过程进行预测.结果表明,运动熔池形成过程中,变宽的趋势比拉长的趋势大,在宽度上达到最大值后继续拉长、变尖,达到准稳态;运动熔池上部分对流传热起主导作用,下部扩散传热起主导作用;Marangoni力是运动熔池上部变宽、拉长的主要作用力。数值模拟得到的熔池动态结果与实际拍摄的试验结果吻合较好。