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。     

激光深熔焊接小孔孔内等离子体的实验研究

激光深熔焊接时伴随着高电量等离子体的产生。位于小孔上方的等离子体叫做等离子体云 ,而存在于小孔内部的等离子体则称为孔内等离子。本文设计了能直接观测小孔孔内等离子体光发射的实验 ,即用高功率激光焊接夹持铝膜的两片GG17玻璃 ,完全避免了孔外等离子体云对小孔内部孔内等离子体观测的影响。结果表明 ,小孔孔内的孔内等离子体对激光与工件材料的能量耦合有着重要的影响 ,具体表现为焊接深度和焊接宽度的变化 ;当减少两片GG17玻璃所夹持铝膜的厚度 ,即模拟降低小孔孔内等离子体的浓度时 ,可以得到更深的焊接深度 ,此时小孔孔内等离子体的温度相对较低。这就为定量研究小孔孔内等离子体提供了一种新的方法和手段。     

激光深熔焊接任意形状小孔的能量密度计算

为了准确计算激光深熔焊接瞬态小孔演化过程中小孔壁面所吸收的激光能量,提出了一种基于Level set方法和有限差分模型的光线追踪新方法。该方法同时合理考虑了小孔对激光能量的多重反射吸收以及等离子体对激光的逆韧吸收。结果表明,所提出的光线追踪方法可以用来准确计算任意复杂形状小孔壁面的能量密度。     

激光深熔焊接过程中小孔效应的试验研究

采用高速摄影方法,清晰地观测了激光深熔焊接玻璃过程中的小孔形状,并对离焦量,焊接速度,激光功率等工艺参数对小孔形状的影响以及保护气体对小孔稳定性的影响进行了试验研究。     

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。     

激光深熔焊熔池三维瞬态行为数值模拟

考虑熔池蒸气反冲压力、表面张力、热浮力等力学因素和熔池内、外部的对流、辐射等热学过程,采用沿深度方向衰减的旋转高斯体热源简化熔池对激光的吸收,采用流体体积法追踪气/液界面,采用液相体积分数法和焓-孔隙度法分别处理熔化凝固潜热及液-固糊状区的动量损失,建立了激光深熔焊接熔池的三维瞬态模型。运用该数学模型获得了不锈钢激光深熔焊接过程中熔池及小孔温度场和流场的瞬态变化。计算表明,熔池最高温度呈现线性增长、趋于平稳和小幅振荡三个阶段;小孔在焊接过程中呈现前倾和后倾两种姿态,且存在周期性振荡行为。计算得到的熔池形状和焊缝横截面的试验结果基本吻合,小孔振荡行为也从相关文献的实验结果中得到了验证。     

高功率光纤激光深熔焊接小孔特征直接观测

为了进一步解决深熔焊接小孔难以进行观测的问题,本文通过“三明治”的方法,从而针对10kW光纤激光深熔焊接小孔进行了非常明显的观测,从而观察到在激光深熔焊接的小孔内部以及孔壁出现液体流动的现象.对于小孔前沿壁上面的液体流动的“台阶”以及伴随着流动物理学和蒸汽现象进行同步观察之后,进一步发现了金属微滴脱离小孔壁的整个过程以及产生蒸汽爆发的现象.     

等离子体温度分布测量方法的研究

测量激光深熔焊接小孔的温度分布是研究小孔形成机理的重要手段之一。为了获得非对称情况下的等离子体温度的二维分布,通过变量分离方法将光谱测量的一维信息分离为对称和非对称两部分,在阿贝尔变换的基础上,利用数值方法计算出对称部分的平面二维分布,从而获得非对称情况下的平面二维分布。通过假想的非对称分布函数进行了模拟计算和误差分析,结果证明算法的整体误差小,对研究激光焊接形成小孔的机理具有十分重要的意义。     

船用钢板大功率CO2激光深熔焊等离子体研究

焊接过程中产生的等离子体是激光深熔焊的固有现象，它通过对激光能量的吸收、折射、反射等降低到达小孔的激光能量密度，影响激光与工件相互作用。使用微距高速摄影系统，研究了大功率CO2激光焊接不同功率和不同侧吹气体流量下等离子体的形态和尺寸的变化规律。在相同条件下，激光功率越大，等离子体的尺寸越大，而且越不稳定，容易出现激光维持的燃烧(LSC)波，严重影响焊接过程的稳定性。而通过增加侧吹气体的流量，可以有效抑制LSC波的产生，并且减小等离子体的尺寸，增加焊缝熔深。     

小孔激光焊接熔池形状的实验和模拟分析

对低碳钢进行激光焊接后,发现焊缝熔深存在着30Hz～40Hz的低频振荡.同时在仅考虑小孔壁对激光的吸收和工件的热传导的条件下,利用这种简化后的能量平衡模型所得的熔池温度分布解析解对熔池形状进行模拟,模拟的熔池形状与实验结果基本吻合.     

光纤激光焊接5052铝合金镁元素烧损研究

为了研究铝合金激光焊接过程中镁元素的蒸发烧损,采用特殊设计的实验装置采集了激光深熔焊接5052铝合金过程中孔内等离子体的光谱信号,并用电子探针显微分析仪检测了焊缝中的镁元素。发现激光焊接工艺参量对工件表面的镁元素等离子体信号强度的影响很大,小孔中各位置的光谱强度是变化的,在小孔的径向方向MgⅠ的相对强度逐渐减小,而在小孔的深度方向先增加后降低;焊缝区镁元素含量的变化趋势与光谱强度的变化趋势相反。结果表明,采用光谱仪能够监测激光焊接铝合金过程中镁元素的烧损;小孔中不同位置处镁元素的烧损主要由各位置吸收的激光能量决定,材料吸收的激光能量越高,镁元素的烧损越大。     

激光穿孔焊接过程热流场数值模拟

采用随小孔形状实时变化的自适应热源,建立了三维光纤激光穿孔焊接过程的数值分析模型。激光热源加载在时变的气/液界面,考虑气相和液相转变过程中存在的传热与传质现象,利用焓-孔介质法处理焊接过程中动量损耗及相变潜热问题。小孔壁面计算主要考虑反冲压力和表面张力,求解VOF方程获得气/液界面。结果表明,焊接过程中可能产生飞溅、焊瘤和余高,小孔前部的金属液体沿着小孔回流至小孔尾部形成焊缝,小孔后部熔池左右两侧可能产生涡旋现象,光致等离子体产生时间极短,穿孔前等离子体最大速度快速增加到102.95 m/s左右,穿孔后速度值下降至80 m/s左右,仿真分析为实际焊接过程提供理论依据。     

铝合金T型接头双侧激光焊接气孔缺陷影响规律研究

气孔缺陷是铝合金T型接头双侧激光焊接面临的主要问题,基于其工艺特点,文中系统研究了表面处理状态、光束入射角度、焊接速度、热输入和光束间距对气孔缺陷的影响规律。研究结果表明:铝合金表面保留一定厚度的纯铝包覆层才能最大程度地降低气孔缺陷;采用较大的光束入射角度和较高的焊接速度可以有效降低气孔缺陷,主要原因是小孔上方金属流动趋势由对流变为流向小孔内部更有利于气泡的逃逸;降低焊接热输入和增加光束间距均不利于降低气孔缺陷,造成小孔形状和贯通性改变并引起熔池流动行为的改变是其本质原因,保证双侧小孔对称和贯通才能利于气泡逸出并降低气孔缺陷。     

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。     

激光深熔焊接过程中小孔径向尺寸及其动特性

通过对小孔同轴视觉图像的处理提取出小孔径向尺寸，研究了小孔径向尺寸随焊接规范参量变化的动特性。研究结果表明，小孔径向尺寸在工件未焊透时随激光功率的增大而增大，在焊透时小孔径向尺寸随激光功率的变化较小；随着焊接速度的增加，小孔的径向宽度逐渐减小，而其长度有一个先减小后增大再减小的波动过程；离焦量在一定的范围内，在足够高的激光能量密度下，激光辐照范围的增大使得小孔径向尺寸与激光光斑同步变化。     

激光深熔焊熔池及小孔的检测

激光深熔焊熔池-小孔包含丰富的反映熔深的信息.本文建立了基于视觉的熔池-小孔同轴检测系统,拍摄了不同焊接速度下熔池-小孔的清晰的图像,分析了熔池宽度、小孔直径随焊接速度的变化规律研究发现,小孔直径随焊接速度的增大先增加后减小,熔池宽度随焊接速度的增大而减小.     

激光深熔焊过程中保护区特征尺寸的数值模拟

小孔效应和小孔的周期性波动是激光深熔焊过程的重要特点。小孔的波动起伏与小孔内气流压力的不断变化密切相关。这一观点通过分析小孔喷发烟流(Plume)高速摄影图像得到了证实。在测定了小孔喷发烟流的速度后,利用流体力学商用软件FLUENT建立了由保护气体、小孔喷发烟流和空气组成的组分模型,模拟了组分气流的质量分数和流场。实验结果表明,小孔喷发烟流的速度并不是一个恒定值,其数值依气流粒子团和小孔出口位置的不同而不同。在小孔喷出气流速度一定的情况下,研究了侧吹气流的流量和输送角度与影响保护区特征尺寸之间的相互关系,给出了氩气保护区和氦气特征保护区随侧吹气流参数改变的变化规律。从组分气流模拟结果看,焊接区组分以辅助气流为主,但其组分质量分数低于0.9。