激光-电弧复合焊接镁合金过程中匙孔行为与气孔形成的关系（英文）

在激光-电弧复合深熔焊接接头中,气孔是一种对焊接质量影响极大的焊接缺陷。本工作通过实验研究了激光-电弧复合焊接镁合金板过程中匙孔行为与气孔形成的关系。详细研究了激光脉冲对熔池的冲击作用,激光匙孔的动态行为以及焊接接头中的气孔形成规律。结果表明:激光脉冲对熔池的冲击作用有利于抑制气孔的形成,冲击作用的大小取决于给定的激光脉冲参数。激光匙孔的状态决定焊接熔池的行为,匙孔的几何尺寸和开/闭行为直接影响气孔的形成。较高的激光脉冲峰值功率会导致焊后气孔的出现。延长匙孔开口的闭合时间,可以给匙孔中的气体足够的时间逃逸,进而可以抑制残留性气孔的生成。     

电子束深穿透焊接过程匙孔动力学研究进展

综述了电子束焊接机理和匙孔动力学的研究成果。简要归纳了电子束深熔透过程起始、焊接、衰减三个典型阶段焊缝熔深及成形变化特征。回顾了前人利用电子束焊接过程产生的特有现象作为研究瞬态过程的依据 ,揭示了一些焊接瞬态特征以及提出的各种有关电子束深穿透焊接的物理模型。文章还进一步分析了电子束与金属相互作用过程中产生的内部信号如二次电子、X射线、可见光、红外线、特种声音等在研究中的不同作用和应用特点 ,同时也分析了X射线、红外线、超声波等外加信号在动态过程研究中的特点和应用前景 ;对比了外加信号和熔池内部信号与匙孔动力学研究方法的关系 ,并展望了电子束焊接机理和熔池动力学研究的方向。     

镁合金真空电子束深熔焊接及焊缝成形数值模拟

对10mmAZ61镁合金板材进行了真空电子束深熔焊接数值模拟研究.考虑到焊接过程中高温金属蒸气等离子体的热效应及真空电子束焊接"匙孔"深熔热效应特征,建立了高斯面热源与双椭球体热源复合的移动热源模型,采用数值模拟的方法研究了镁合金真空电子束焊接温度循环特征及不同焊接工艺对焊缝成形的影响.结果表明,建立的复合热源模型能够获得电子束深熔焊接的效果,并可模拟不同焊接工艺下的温度场分布与电子束热源作用下的焊缝成形,这也证明了该模型在AZ61镁合金电子束平板焊接的热效应模拟中有较好的适用性.     

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.     

镁合金真空电子束焊接匙孔热效应数值模拟

分析了镁合金真空电子束焊接过程中的匙孔热效应特征,针对真空电子束焊接工艺建立了适用于镁合金焊接的复合热源模型.考虑到焊接过程中存在的高温金属蒸气等离子体及真空电子束焊接"匙孔"深熔效应特征,模型由高斯面热源和圆锥体热源复合而成,利用高斯面热源功率分配系数和圆锥体热源功率分配系数的不同取值,模拟电子束焊接的不同聚焦状态,并得到电子束聚焦状态与散焦状态下的焊接温度场变化,进而通过计算得到聚焦状态变化下的匙孔形状和焊缝成形.结果表明,模拟结果与其具有较好的一致性.     

脉冲激光-电弧复合焊接镁合金过程中熔池行为与气孔产生的关系研究

激光-电弧复合焊接镁合金过程中气孔是一种重要缺陷。本文针对复合热源焊接过程中熔池行为和激光匙孔引起的气孔之间的关系进行了实验研究。研究中重点考查了激光脉冲对熔池的冲击作用,匙孔的动态行为以及气孔的形成规律。研究结果表明激光脉冲的参数决定其对液态熔池的冲击作用,较强的激光脉冲作用可以有效抑制气孔的形成;液态金属的行为主要有匙孔行为主导;匙孔的尺寸和开-闭状态直接影响焊后气孔的形成;过高的激光脉冲功率会导致焊后气孔的形成;匙孔开口维持时间越长,焊后气孔数量越少。     

电子束深穿透焊接过程题孔动力学研究进展

综述了电子束焊接机理和匙孔动力学的研究成果。简要归纳了电子束深熔透过起始、焊接、衰减三个典型阶段焊缝溶深及成形变化特征。回顾了前人利用电子束焊接过程产生特有现象作为研究瞬态过程的依据,揭示了一些焊接瞬态特征以及提出的各种有关电子束深穿透焊接的物理模型。文章还进一步分析了电子束与金属相互作用过程中产生的内部信号如二次电子、X射线、可风光、红外线、特种声音等在研究中的不同作用和应用特点,同时也分析了X射线、红外线、超声波特加信号在动态过程研究中的特点和应用前景;对比了外加信号和熔池内部信号与题孔动力学研究方法的关系,并展望了电子束焊接机理和熔池动力学研究的方向。     

基于同轴视觉传感的激光穿透焊接焊缝尺寸检测

利用CMOS同轴视觉传感系统,通过分析匙孔和熔池区域光辐射的特征,对Nd:YAG激光深熔焊接的焊缝形态进行了检测.结果表明,在匙孔穿透型激光深熔焊接中,匙孔在工件背面穿透将导致光辐射衰减区域的出现,衰减区域的尺寸和光辐射衰减的程度均随着焊接速度的增加而减小,且相对于匙孔的前沿,其位置向熔池的后方移动.通过分析匙孔区域的光辐射衰减程度和匙孔前壁角度的变化,将光辐射分布的特征与焊缝的尺寸结合起来,建立了两者之间的对应关系,从而实现了焊缝尺寸的检测.     

Nd:YAG激光器焊接钛合金薄板的工艺研究

用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源,对TC4钛合金试板进行了平板堆焊试验,研究了激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响。试验结果表明,激光焊接电流和脉冲宽度是影响激光焊接模式的主要因素,在低电流和小的脉冲宽度下,易出现匙孔未穿透型焊接,形成V形焊缝;增大激光焊接电流与脉冲宽度时,焊接模式由匙孔未穿透向匙孔穿透型转变,形成X形焊缝。脉冲激光焊接的参数需要合理的匹配,才能获得好的稳定的焊接过程。     

焊接工艺参数对锆合金薄板YAG激光焊接气孔形成的影响及控制机理分析

以Zr-4和N18为研究对象,采用YAG激光焊接设备,通过抛切焊缝断面统计气孔数量,并观察焊缝中气孔位置和形貌,研究了非熔透性焊接过程中激光脉冲电流、脉冲宽度、离焦量等工艺参数以及脉冲激光调制对锆合金密集焊缝激光焊接气孔形成规律的影响。结果表明:在锆合金YAG激光非溶透性焊接过程中,气孔的形成主要源于焊接过程中匙孔的不稳定塌陷所形成的工艺型气孔,在熔池中气泡逸出熔池的速率低于熔池金属凝固速率的情况下会产生气孔。在满足焊缝熔深1.0 mm的情况下,随着激光脉冲电流、脉冲宽度的增加,气孔出现的几率逐步增加;随着离焦量的增加,气孔出现的几率逐渐减小;相比未分段编程模式,采用分段编程、电流缓降、降低焊接速度的方式,使焊缝气孔率明显降低,气孔尺寸有效控制在0.5 mm以下。     

电子束非穿透焊中束流品质对焊缝质量的影响

针对电子束非穿透焊接,通过工艺试验研究束流品质与焊缝内部质量之间的关系,发现影响非穿透焊中产生钉尖缺陷的主要因素是束流品质的下部宽度和峰值能量,并进行了理论分析。采用Design-Expert软件响应面分析法,建立束流品质与焊缝熔深之间的数学模型。     

焊接工艺参数对低碳钢CO2激光深熔焊接气孔形成的影响

以低碳钢为研究对象,采用高功率CO₂激光焊接设备,通过抛切焊缝断面统计气孔数量,并观测焊缝中气孔位置和形貌,研究了非熔透性深熔焊接过程中保护气体流量、激光束倾角、激光功率及焊接速率等工艺参数对低碳钢激光焊接气孔形成规律的影响.结果表明,在低碳钢CO₂激光非熔透性深熔焊接过程中,气孔的形成主要源于焊接过程中匙孔的不稳定塌陷所形成的工艺型气孔,在熔池中气泡逸出熔池的速率低于熔池金属凝固速率的情况下会产生气孔.随着气体流量的增加,气孔数量呈现先增加后减少的过程,流量为35 L/min时气孔数量最少;随着激光束倾角的增加,气孔数量呈现先增加后减少的趋势,在满足较大熔深条件下,倾角22.5°时可以获得较少的气孔数量.激光功率为4 kW时气孔数量最少,在0.75 m/min的低焊速下气孔得到较好抑制.     

焊接熔池流体动力学行为的数值模拟和实验研究北大核心CSCD

在对激光焊接过程中匙孔壁面受力平衡状态和金属蒸发情况研究基础上,建立了随匙孔深度和形貌变化的自适应热源模型。采用Particle Level Set方法来跟踪熔池内的匙孔自由表面,对2A12合金和30CrMnSiA钢激光深熔焊过程进行了数值模拟,分析了材料性能和侧吹气体对熔池-匙孔内的温度场、流场和匙孔动态演化过程的影响。研究结果表明,相同工艺参数下热导率较小的材料,更容易形成深而窄的焊缝形貌。而侧吹气流气体的加入不仅能够改善熔池内流体的流动状态,而且能够显著地抑制焊缝中气孔产生。在此基础上,利用熔池动态监测技术对激光焊接中熔池的动态行为进行了实验观测,得到了熔池内匙孔颈缩、塌陷、闭合以及气泡的形成过程,进一步验证了模拟结果的合理性。在对不同侧吹气流下焊缝气孔检测和模拟结果分析的基础上,提出了增强焊接稳定性和降低气孔敏感性的新思路。     

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.     

焊接熔池流体动力学行为的数值模拟和实验研究

在对激光焊接过程中匙孔壁面受力平衡状态和金属蒸发情况研究基础上,建立了随匙孔深度和形貌变化的自适应热源模型。采用Particle Level Set方法来跟踪熔池内的匙孔自由表面,对2A12合金和30CrMnSiA钢激光深熔焊过程进行了数值模拟,分析了材料性能和侧吹气体对熔池-匙孔内的温度场、流场和匙孔动态演化过程的影响。研究结果表明,相同工艺参数下热导率较小的材料,更容易形成深而窄的焊缝形貌。而侧吹气流气体的加入不仅能够改善熔池内流体的流动状态,而且能够显著地抑制焊缝中气孔产生。在此基础上,利用熔池动态监测技术对激光焊接中熔池的动态行为进行了实验观测,得到了熔池内匙孔颈缩、塌陷、闭合以及气泡的形成过程,进一步验证了模拟结果的合理性。在对不同侧吹气流下焊缝气孔检测和模拟结果分析的基础上,提出了增强焊接稳定性和降低气孔敏感性的新思路。     

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.     

钛合金电子束深熔焊根部缺陷机理分析

文中研究了大厚度Ti6321钛合金深熔焊时,根部缺陷的位置和形貌特征,分析了根部缺陷产生的原因,揭示了缺陷产生的机理,提出了减小和消除根部缺陷的方法.结果表明,对于大厚度钛合金深熔焊,未焊透时焊缝中容易产生钉尖和链状气孔缺陷.当匙孔底部表面张力与流体静压力之和大于金属蒸气压力时,根部无法维持稳定的匙孔内壁,液态金属凸出向匙孔坍塌,金属蒸气不能完全逸出,在快速冷却条件下,液态金属凝固后形成钉尖缺陷. 当表面张力、液体静压力与金属蒸气压力的平衡位置距离匙孔底部距离大于1/2熔深时,焊缝根部容易产生链状气孔缺陷.通过采取相应措施可以有效减少和消除钉尖缺陷和链状气孔缺陷.     

铝合金中厚板高功率激光搅拌焊气孔缺陷工艺调控

高功率激光焊接为铝合金中厚板高质高效焊接提供了有效手段,然而面临焊缝气孔多发的问题. 文中开展了铝合金中厚板高功率激光搅拌焊接气孔缺陷的工艺调控研究,阐明了搅拌振幅和搅拌频率对接头气孔率的影响,并提出了工艺参数优化方法. 结果表明,搅拌振幅主要影响光束运动轨迹横向分布和小孔开口面积;搅拌频率主要影响激光光束运动速度和对后方熔池的搅拌次数;搅拌振幅和频率越大,气孔抑制效果越明显,但焊缝熔深难以满足应用要求;通过控制光束运动轨迹和能量密度,可以实现工艺参数的设计,获得大熔深、少气孔的最佳工艺区间,最终得到熔深高达6.4 mm的少气孔焊接接头.     

30 kW光纤激光焊接铝合金离焦量对匙孔行为的影响

针对30 kW光纤激光焊接铝合金焊缝成形差的问题,采用高速摄像拍摄焊接过程中的熔池及匙孔图像,对比研究了不同离焦量对匙孔行为的影响。结果表明,离焦量对匙孔及熔池行为的影响较大;正离焦时,匙孔开口面积的波动程度较为剧烈,匙孔后壁易形成向上涌起的液柱,并伴随有大量飞溅的产生,匙孔开口面积的大幅度突变和液柱的回落过程会对液态熔池的稳定流动产生较大干扰,使焊缝表面出现凹陷和咬边等缺陷;负离焦时,匙孔开口面积在波动幅度和突变持续时间上均较小,-20 mm离焦量时,匙孔突变的扩大-收缩持续时间仅为正离焦量的1/3,且液态金属上涌形成液柱的趋势也较小,焊接过程更稳定,焊缝表面成形的质量得到了明显改善,单道激光焊缝熔深可达29 mm。     

2219铝合金电子束堆焊凝固缺陷的模拟预测

铝合金电子束堆焊焊缝根部缩孔是一种特种焊接缺陷,它会导致应力集中诱发裂纹产生,显著降低焊件承载能力,必须给予足够重视.文中主要借助于ANSYS有限元软件的APDL二次开发编程语言,将匙孔模式焊接热源模型与枝晶间渗流理论和Niyama判据相结合,提出了一套基于温度场的凝固收缩判据程序,并应用它成功模拟预测了非熔透2219铝合金电子束堆焊件的根部缩孔缺陷.结果表明,通过模拟手段得到的缩孔缺陷沿焊缝熔深方向误差为8.76%,沿焊缝熔宽方向误差为13.28%,与试验对比件基本吻合,验证了缺陷判据程序的正确性和实用性.