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。     

激光深熔焊接过程中小孔行为的研究进展

从试验研究和数值模拟研究两个方面介绍了激光深熔焊接过程中小孔行为的国内外研究现状。x射线透射成像和高速摄影相结合的方法迄今为止仍然是研究激光深熔焊接过程中小孔行为最有效的方法。多激光束焊接、复合激光焊以及辅助气流等方法被用于改善激光焊接过程中小孔的稳定性。目前具有代表性的动态小孔模型有三类,分别是认为激光焊小孔形成机理与激光打孔相同的动态小孔模型,基于流体体积法（VOF）的动态小孔模型和基于等值面法（Level Set的动态小孔模型。对三类模型进行了比较分析,并指出基于高精度运动界面追踪方法来追踪汽／液界面的动态小孔模型将是今后发展的趋势。     

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。     

半球陀螺封装激光焊“错边”现象探析

半球陀螺激光封焊的主要缺陷是匙孔处凝固裂纹。为解决焊缝气密性难题,在运用激光焊接“小孔效应”原理对焊接过程进行理论分析及相关试验验证的基础上,探讨了焊接接头“错边”结构对防止热裂纹的机理,并据此提出了新的焊接结构。研究结果表明,新结构焊缝裂纹受到抑制,气密性得到了显著提高。     

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。     

薄板CO_2激光焊中的小孔机理

研究了薄板小功率CO_2激光焊接的小孔效应。首次用实验方法证明了薄板焊接过程中存在的穿透小孔,确定了产生小孔的功率密度条件,提出了“小孔效应”焊接方法。     

低碳钢激光焊接温度场模拟

依据有限元思想,利用SYSWELD商业专用软件,以低碳钢为例,同时考虑了相变潜热与温度的关系,采用了带锥形的高斯三维移动热源对激光焊接过程温度场进行动态模拟.通过对温度场模拟结果的分析,表明考虑了相变潜热、同时采用带锥形的三维高斯热源所建立的模型能够准确的反映激光焊接的主要特点.小孔效应、高能量密度、窄的热影响区等特征在模拟结果中得到验证,为进行焊接应力场的模拟提供了依据.     

CO2激光焊接铝合金的试验研究

利用高功率CO2激光器,对5083型号的铝合金薄板进行了焊接试验研究。分析了激光功率、焊接速度和焦 点位置对焊接过程的影响以及保护气体对焊接过程不稳定性的影响。试验证明,在保证起弧功率密度的前提下,减少热 输入,采用混合保护气体,可获得稳定的良好的焊接效果。     

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。     

激光深熔焊接过程中的光致等离子体行为特征模拟

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。     

激光-MIG复合焊接热过程与熔池流场的数值分析

建立了激光-MIG复合焊接过程的三维瞬态传热和流体流动模型,分析了小孔行为、熔池温度场和流场演变过程的特点,探讨了激光电弧前后相对位置对熔池传热和流动的影响。模型考虑了焊枪倾角对熔滴过渡的影响以及多次反射对激光能量分布的影响。结果表明:小孔壁面向下流动经熔池底部反射后形成后向流动和逆时针环流;后向流动向熔池尾部输运热量和动量,增加熔池体积;而逆时针环流则冲击小孔后壁,降低小孔的稳定性。激光在前时,熔滴和电弧压力作用在小孔后方,并产生两个流动模式:朝向前方和四周的流动。朝向前方的流动增强了逆时针流动对小孔后壁的冲击作用,使得小孔坍塌现象更加严重;朝向四周的流动将热量输运至熔池两侧,增加了焊缝宽度。     

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.     

激光深熔焊等离子体电信号振荡特征与焊缝熔深的特征关系

针对激光深熔焊接过程的监控问题,基于小孔内部压力平衡条件分析了小孔振荡和小孔深度的关系。在此基础上基于小孔行为与等离子体行为的耦合性,以及等离子体振荡特征与等离子体电信号波动特征的一致性,利用短时自相关分析方法分析了A304不锈钢和Q235碳钢在激光深熔焊接过程中等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系。结果表明,等离子体电信号振荡周期随焊缝熔深的增加而增大,并且不同焊接材料的等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系不同。最后,在可变热输入连续焊接验证实验中,在焊接过程稳定的条件下,等离子体电信号的短时自相关分析结果与焊缝熔深之间有比较好的对应关系,与所分析的小孔振荡特征方程具有一致性。     

保护气流对CO2激光焊接铝合金的影响

利用3 kW高功率CO2激光器,通过改变保护气体流量和流动方向,对2 mm厚的A5083铝合金薄板进行了焊接实验研究.研究发现,小孔的稳定存在取决于保护气体对等离子体云的抑制效果,而侧吹保护气体对等离子体云的抑制效果主要取决于所形成的气流方向,从而影响焊接熔化特性.利用有限元法对激光焊接时保护气体在小孔内部和表面气流状况进行了数值模拟,通过对不同焊接条件下模拟形成的小孔气动扰流的气流场和压力分布云图的分析,解释了采用逆向侧吹保护气体吹除等离子体的方法,可以更有效地抑制等离子体云的产生,防止小孔塌陷,有利于维持小孔的稳定性.     

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。     

Al-Mg系铝合金脉冲激光焊接性能影响因素分析

为了研究铝合金表面状态和焊接工艺方法对焊接接头性能的影响,采用Nd:YAG脉冲激光器对Al-Mg系铝合金激光焊接方法进行了理论分析和实验验证,得到了焊接接头性能实验结果.结果表明,原始表面和碱蚀表面处理的试样焊接过程不稳定,阳极氧化试样焊接中形成了稳定的小孔效应,焊接过程较稳定;阳极氧化、两面焊、填粉焊都能有效提高焊缝熔深和深宽比;试样阳极氧化、双面焊、填粉焊可使焊缝抗拉强度提高1倍以上,其中Al-0.05Si填粉焊提升效果最好;表面处理试样硬度都有所提高,磷酸阳极氧化提高效果最好.双面焊工艺使焊缝和熔合区硬度提高,填粉焊焊缝中心硬度很低但熔合区硬度提高明显,双面焊、填粉焊热影响区硬度低于单面焊.阳极氧化表面处理、双面焊工艺可以有效地改善Al-Mg铝合金的激光焊接性.     

激光焊接时焊接模式转变规律及焊接过程稳定性的研究

在大功率激光焊接时．除了通常认为的稳定深熔焊和稳定热导焊外，作者发现在一定条件下还会出现第三种焊接过程──模式不稳定激光焊接，其基本特征是深熔焊和热导焊两种模式随机出现，熔深和熔宽相应地在大小两级跳变．综合研究了焦点位置、激光功率和焊接速度对激光焊接模式及焊缝成型的影响，得到了反映上述三种焊接过程的工艺参数范围的双Ｕ型激光焊接模式转变曲线。     

深熔激光焊建模方法的研究进展

介绍近年来深熔激光焊接过程数学模型的进展。重点讨论光致等离子体、小孔的作用机制及其对焊接过程的影响 ;人工神经网络方法在深熔激光焊数学模型中的应用     

316L不锈钢激光-钨极惰性气体复合焊接工艺研究

为了进一步提高316L不锈钢的可焊性,采用Rofin Sinar 5kW快轴流CO2激光器和Miller钨极惰性气体(TIG)焊机,对3mm厚316L不锈钢进行了一系列CO2激光-TIG电弧复合焊接工艺试验,研究了激光功率、电弧电流、热源间距等工艺参数对焊缝成形的影响规律。在激光功率大于2.5kW时,会产生小孔效应,其对复合焊接熔深影响显著;而当电弧电流小于150A时,焊接熔宽与两热源的热输入关系密切,当电流大于150A时,仅电弧电流是焊接熔宽的决定性因素;热源间距存在一个最佳值2mm~3mm,此时,焊接熔深可提高1.46倍~2.54倍。研究结果表明,复合焊接提高了316L不锈钢的可焊性。