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.     

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。     

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。     

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。     

工艺因素对熔池小孔特征行为的影响

为了准确地模拟出激光深熔焊接中小孔的动态变化过程,根据小孔内激光能量的传输过程和吸收机制,采用光线追踪法来描述小孔对激光能量的多重反射吸收作用,建立了基于光线追踪的热源模型,分析了工艺因素对30Cr Mn Si A钢激光深熔焊接过程中瞬态小孔的深度振荡和熔池流动行为的影响。结果表明,激光焊接过程中熔池的小孔深度呈周期性变化并伴有高频振荡特征,而小孔的振荡是焊接不稳定性和缺陷形成的重要原因。而随着激光功率的增大,小孔深度增大,小孔深度达到相对稳定状态的时间缩短。小孔深度达到相对稳定状态时,小孔振荡的幅度随激光功率的增加而增大。在对不同工艺条件下熔池的温度场、流场和小孔的动态演化过程对比的基础上,进一步探索了焊缝气孔的形成机理,并提出了减少焊缝气孔和增强小孔稳定性的新思路。     

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。     

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.     

焊丝熔化方式对激光焊接过程的影响

研究了两种焊丝熔化方法(电弧预熔丝激光焊、激光填丝焊)激光焊接过程对匙孔稳定性以及焊缝成形的影响,进一步研究了焊丝熔化方法对焊接接头质量的影响,并对比分析了两种焊丝熔化方式对焊接速度的适应性. 结果表明,电弧预熔丝激光焊过程中,熔池表面匙孔开口尺寸变化不大,匙孔较为稳定;激光填丝焊方法由于熔化的液态金属距离匙孔边缘很近,焊接过程中熔池表面匙孔开口尺寸变化较大,而且容易出现熔池表面匙孔的闭合. 与激光填丝焊相比,电弧预熔丝激光焊熔化的焊丝端部可以沿熔池边缘流入,与匙孔边缘的距离较远,匙孔稳定性较好,焊缝气孔数量较少. 当焊接速度为8 m/min时,电弧预熔丝激光焊的焊缝成形良好;而激光填丝焊焊缝背面成形不连续,并且出现了未焊透的缺陷.     

铝合金激光焊接熔池中气泡运动与气孔相关性分析

以5052铝合金作为试验材料,通过对焊接过程中熔池流动及生成气孔运动轨迹的观察研究了激光自熔焊、激光填丝焊中气孔的形成过程及其影响因素.结果表明,在激光自熔焊过程中,低速焊时熔池流动紊乱,气泡沿熔池底部边缘向后方运动;高速焊时熔池流动稳定,气泡沿匙孔后壁向上运动.焊丝的送入对熔池和匙孔的稳定性有较大的影响,熔池内液体流动紊乱,阻碍了匙孔末端生成气泡的运动,从而大幅增加焊缝中残留气孔的数量.相对于前送丝方式,后送丝时,送进的焊丝对熔池及其内部匙孔的影响更大,熔池内液体流动紊乱,气泡运动轨迹更长,焊缝中残留气孔数量更多.     

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。     

基于计算机的厚壁钢管激光-电弧复合焊接熔池稳态和动态模拟分析

主要研究管材和船用型材在激光-电弧复合焊接过程中熔池的稳态和动态情况。利用准稳态过程模型确定了一套合适的焊接参数,利用激光焊动态模型研究了匙孔深度和振动振幅。使用15 k W的光纤激光器,在一个较宽的焊接参数范围内对钢管和不锈钢进行激光-MAG复合焊。通过对熔池深度及其各自振动频率的实验结果和模拟结果的对比,分析了熔池的自振动特性。     

铝合金激光焊接气孔缺陷形成及抑制机理

气孔是铝合金激光焊缝重要的缺陷形式,对焊缝力学性能具有较大的影响。综述了铝合金激光焊接中气孔缺陷的形成及抑制机理。氢气孔和由不稳定匙孔塌陷造成的气穴是铝合金气孔缺陷的两种主要类型。氢气孔的形成与熔池中氢的溶解度剧变密切相关,通过减少氢的进入量以及获得合适的熔池冷却速度可有效抑制氢气孔数量。匙孔的稳定性是影响气穴形成的主要因素,通过采取合适的工艺措施改善熔池流动行为、增大匙孔尺寸,可明显提高匙孔稳定性,减少气穴数量。     

激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

激光焊接匙孔和熔池行为与焊接缺陷的形成和焊接质量直接相关,研究激光焊接匙孔和熔池行为对理解激光焊接机理和控制焊接质量具有重要意义。国内外学者根据焊接过程中的物理现象和测试数据,提出了相应的数学模型和计算方法,来模拟熔池内部的流动行为、匙孔的演化行为及其内部金属蒸汽的动力学行为,通过激光焊接熔池行为的数值模拟可提前预测并采取相应措施降低焊接缺陷的形成,将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术,如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括,以期为激光焊接熔池数值模拟方面的研究提供参考。     

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.     

激光焊熔池红外辐射特征支持向量机回归分析

大功率光纤激光焊接过程中,熔池红外辐射蕴含着丰富的焊接质量信息。以大功率光纤激光对接焊304不锈钢板为试验对象,运用近红外高速摄像机获取焊接熔池动态热像。定义并提取熔池宽度、匙孔面积、匙孔周长和匙孔质心横、纵坐标,作为熔池特征参数,运用支持向量机建立熔池特征参数和焊缝宽度的回归模型,并通过网格寻优和粒子群算法优化支持向量机参数。试验表明,所建立的支持向量回归机能够较好地融合熔池特征,预测焊缝宽度,从而为自动监控大功率光纤激光焊接质量提供试验依据。     

激光焊接过程的熔池动态行为研究

文中首先采用高速摄像在线监测系统对激光自熔焊、激光填丝焊熔池动态行为进行分析，并对焊缝成形进行对比分析，进一步采用数值模拟的方法对激光自熔焊、激光填丝焊填充金属作用下的焊接熔池动态行为进行对比分析.研究结果表明，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，在匙孔开口后方出现了金属隆起，金属的隆起尺寸较大，激光自熔焊焊缝成形较差，表面有凹坑出现.激光填丝焊匙孔壁后方熔池表面出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，但在其下方出现由熔池尾部回流向匙孔的流动，虽然也会产生焊接飞溅，但焊接飞溅的尺寸相对较小，而且由于液态金属的填充作用，焊缝表面不易出现下凹的缺陷，焊缝成形良好.与激光自熔焊相比，液态熔滴进入熔池后，匙孔壁后方的熔体流动速度波动程度明显增大.     

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。     

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。     

大功率光纤激光焊焊缝偏差检测方法

在大功率激光焊接过程中,准确提取焊缝偏差是实现焊缝跟踪和保证焊接质量的前提。本文以10kW大功率光纤激光焊接304不锈钢板为试验对象,采用近红外高速摄像机获取焊接区域熔池动态热像,以匙孔最下端、最左端和最右端位置处的列坐标为匙孔形变参数,运用中值滤波、灰度拉伸、阈值分割、边缘提取等图像处理和识别算法,获取激光束偏离和对中焊缝时的匙孔形变参数,进而求得焊缝偏差。试验结果表明,熔池匙孔形变参数与焊缝偏差之间有密切关系。     

背反射增效激光焊接熔池匙孔相变及流场分析

建立了背反射增效激光焊焊接熔池流动中气相区、液相区和固相区的统一模型，在模型中考虑了等离子体/蒸气云和小孔吸收机制，综合了表面张力、热浮力和重力的作用. 基于数值计算得到了熔池的三相匙孔相变以及流场，重点分析了表面张力对熔池流动和传热的影响. 此外，通过钛合金薄板的背反射增效激光焊接试验对模型进行了验证. 结果表明，匙孔引发等离子体/蒸气云与背面垫板诱发羽辉的耦合作用，是X形焊缝熔池形貌形成的主要原因；同时，表面张力是形成背反射增效激光焊接熔池内“椭圆回流环”的主要驱动力.