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。     

深熔激光焊小孔和熔池形状 三维模拟的MATLAB实现

分析了影响深熔激光焊熔池几何形态的主要因素;应用MATLAB软件,实现了小孔和熔池形状的三维计算和模拟。     

快速激光重熔的二维瞬态模型

通过采用有限元与多层网格法,求解热传导和对流方程,建立了模拟快速激光重熔的二维瞬态模型,并用该模型模拟了高扫描速度(2m/s)与低扫描速度(0.2m/s)情况下,时变的脉冲激光与连续激光重熔的物理过程。模拟结果显示,激光扫描速度对熔池内的流线分布的较大影响,从而影响到重熔后材料表面的成分分布。低扫描速度不材料表面同一区域可被多个脉冲加热,而高扫描速度下只被一个脉冲加热。熔池表面的形状在重熔过程中呈现中心凹陷,边缘凸起。此外,还通过模拟结果得到了熔池的大小、形状、平均冷却速度和边缘材料冷却速度,这些冷却速度对于分析材料表面的微观结构是有用的。     

高强钢激光穿透焊熔池温度场数值模拟

深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点,选取指数衰减热源模型建立了高强钢激光穿透焊接熔池温度场三维数值模型.利用ANSYS有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟,并且通过CP800钢激光焊接试验验对模型进行了修正.计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好,这验证了本文所建高强钢激光穿透模型的可靠性.     

模拟研究离焦量对7050铝合金Al/Ti熔覆过程的影响

针对7050铝合金表面激光熔覆Al/Ti复合粉体,建立了三维瞬态温度场有限元模型,模拟了不同离焦量条件下的熔池大小、温度梯度、冷却速度及形状控制因子.结果表明,熔池宽度与深度尺寸随着离焦量数值的增大先增大后减小,在离焦量为20 mm时熔池宽度与深度都出现了最大值.沿熔池深度方向(即Z向)的温度梯度数值最大,散热条件最好,表明熔覆凝固过程中的晶粒生长方向主要集中在Z向.离焦量为40 mm时的冷却速度最大、晶粒细小,离焦量为80 mm时的冷却速度最小、晶粒粗大,且得到实验验证.离焦量为60 mm时的形状控制因子最大,金相组织出现柱状晶;离焦量为80 mm时的形状控制因子最小,金相组织主要为胞状晶,并有相应的实验验证.     

曲面激光增材制造钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程热行为研究

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题,采用有限元模拟方法,对激光定向能量沉积(LDED)钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟,通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化,当扫描速度为0.32 rad/s时,随着激光功率从1400 W增至2300 W,熔池最高温度从1525.5℃升至3289.8℃,熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³,熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W,扫描速度为0.32 rad/s时,Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大,为1.84,起始堆积Ti层的宽深比次之,为1.42,稳定堆积Ti层的宽深比最小,为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm,熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。     

焊接与连接工艺

0309550GTAW 焊接过程中熔池发展的数值模拟及与实验结果的比较[刊]/杨雪峰//四川大学学报(工程科学版).—2002,34(6).—47～51(K)用描述等离子弧和熔池中的流体流动和传热过程的数学模型对熔池的发展进行了数值模拟。模拟结果和文献中实验结果的比较表明,该数学模型能较好地预测熔池的形状和大小。模拟结果中所得到的双循环流动对理解实验所得的测熔池的形状有重要意义。参8     

超声振动对激光熔凝熔池影响研究

通过数值模拟与实验相结合的方法,研究超声场对激光熔凝过程中熔池温度场、流场以及熔池形貌的影响。建立描述超声振动辅助激光熔凝过程中的声场和温度场的三维数学模型,通过有限体积法实现激光熔池中声场和温度场的耦合模拟分析,系统分析激光熔池内声场、温度场、流场的变化规律。结果表明:在超声场作用下的熔池温度略低于未施加超声场的熔池温度;流动速度增加72%,但并未改变未加超声时熔池内Marangoni流的环流趋势;在超声场作用下的熔池宽度增加0.5 mm、深度减小0.1 mm。通过激光熔凝实验验证数值模拟结果与实际情况基本吻合。     

方波参数对激光金属直接成形特征尺寸的影响

针对激光金属直接成形过程中的特征尺寸问题,采用ANSYS有限元分析软件,对方波作用模式下的激光熔池温度场进行了模拟分析.结果表明,在平均输出功率一定的情况下,熔池作用尺寸范围随着方波作用时间的减小而增大,而在光斑重叠率足够大的情况下,改变重复频率对熔池作用尺寸范围影响较小;在其它参数一定的情况下,熔池作用尺寸范围随着平均功率的降低而减小.结合模拟分析,设置相应的实验方案对方波作用下的各参数对金属直接成形特征尺寸进行了分析,实验结果变化规律与计算结果吻合.利用方波,成形出了具有小特征尺寸的薄壁零件.     

数字图像处理在激光再造熔池温度场检测中的应用

为了更好的研究激光与材料表面的相互作用,采用非接触式测温方法对激光再制造熔池温度场进行了检测。利用CCD对激光熔池进行拍摄,通过数字图像处理技术对拍摄图片进行处理,经过温度标定后便可以得到激光熔池温度场的分布情况。结果表明结合数字图像处理的温度场检测技术可以表征激光熔池温度场的分布规律。     

激光深熔焊传热模型的研究

本文提出了一种点-线组合热源传热数学模型及其计算机求解和作图方法,以描述激光深熔焊条件下的焊缝截面形状及HAZ温度场。通过对现有的不同形状激光焊缝的初步计算,证明该数学模型得到的结果与实际情况有较好的吻合性。     

激光深熔焊传热模型的研究

本文提出了一种点－线组合热源传热数学模型及其计算机求解和作图方法，以描述激光深熔焊条件下的焊缝截面形状及ＨＡＺ温度场。通过对现有的不同形状激光焊缝的初步计算，证明该数学模型得到的结果与实际情况有较好的吻合性。     

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。     

激光深熔焊接阈值表征及特性

采用CO2和Nd∶YAG激光器焊接A3钢,结合高速摄像和光谱分析,研究激光深熔焊接阈值的表征及特性。结果表明,以激光功率与光斑直径之比作为深熔焊接阈值的表征参量,深熔焊接阈值与光斑大小无关;而临界功率密度随光斑尺寸不同而变化。YAG激光焊接模式转变阈值明显大于材料蒸发的阈值,在模式转变前的热导焊接阶段,金属材料已出现显著蒸发,而焊接模式转变后,蒸气羽辉的光谱保持不变。CO2激光焊接模式转变前,金属仅发生微弱的蒸发。深熔焊接时,蒸发显著加强,且蒸气部分电离。分析表明,CO2激光焊接时,蒸气电离形成等离子体,增加金属对激光的吸收,促进深熔焊接过程的建立。     

CFRP与不锈钢激光焊接的有限元分析

为了研究碳纤维增强热塑性复合材料（CFRP）与不锈钢激光焊接的机理,及不同工艺参量对焊缝质量的影响规律,采用ANSYS建立了基于热传导焊的3维有限元模型,计算得到了温度场和应力场的分布,分析了激光功率、焊接速率和光斑直径等参量对焊缝宽度和焊接深度的影响规律,并进一步计算分析了焊接后的残余应力对焊接质量的影响情况。结果表明,该有限元模型能够快速、有效模拟激光对CFRP-不锈钢焊接温度场和残余应力分布;激光功率、焊接速率和光斑直径等工艺参量对焊缝宽度和焊接深度有着重要的影响;计算出的焊接残余应力与残余应力的理论分布规律也基本吻合,验证了该有限元模型的可靠性。该研究结果对获得高质量CFRP-不锈钢焊接接头是有帮助的。     

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-电弧复合焊接的热源相互作用

为了研究激光-电弧复合焊接的热源相互作用,提升对复合焊接复杂物理过程的认识程度,进一步优化工艺参数,采用CO2轴快流激光器和钨极氩弧焊机在3mm厚316L不锈钢板上进行了复合焊接试验研究。定义无量纲参数——复合焊接熔化效率增量δ来表征热源相互作用的变化。结合焊缝成形、等离子体形貌,通过δ半定量分析了激光、电弧热源间距和能量配比对热源相互作用的影响。结果表明,在优化的参数组合下,δ高达83.6%。其中,电弧对工件的预热作用能够提高激光能量的利用率,增强热源相互作用,但是激光-电弧等离子体相互作用才是提高热源相互作用程度的关键机制。     

激光深熔焊接小孔效应的理论和试验研究

本文采用理论和试验相结合的方法系统研究了激光深熔焊接GG17玻璃时的小孔效应。首先采用高速摄影的方法清晰、完整地观测到了激光深熔焊接GG17玻璃时小孔的形状,并通过实验研究了聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度等焊接工艺参数对小孔尺寸和形状的影响。然后,论文根据实验得到的小孔形状,通过曲线拟合的方法得到小孔前后沿孔壁的曲线方程,再按照几何光学原理,分析了激光在小孔孔壁上的多次反射吸收情况,并由此计算出了小孔孔壁通过多次反射吸收的激光功率密度分布情况。最后,建立了一个分层圆柱体面热源传热模型,在综合考虑热传导和熔池对流换热的基础上,计算了小孔周围的温度场和流场,求出了小孔孔壁上的热流密度分布,并与小孔孔壁吸收的激光功率密度进行了比较。     

激光-熔化极脉冲电弧复合焊接的双重导电机制

对激光-电弧复合焊接的稳弧机理始终存在不同的观点。通过高速摄像机和光谱分析仪对比研究了激光与电弧复合前后电弧形态发生的变化。研究发现复合后电弧呈现一种全新的形态,具有两个独立的导电通道,这种现象被称为"双重导电机制"。这种机制对维持电弧稳定和保证焊缝成型良好具有非常重要的意义,正是激光-电弧复合焊接高速焊接过程中稳弧的关键所在。研究还发现"双重导电机制"的建立过程存在时间顺序,辅助导电通道首先是从激光小孔周围建立起来,然后逐渐扩展到整个电弧区域。各种焊接参数对"双重导电机制"也存在明显的影响。     

NULCB钢激光焊接接头组织、性能的研究

为了研究新一代超低碳贝氏体(NULCB)钢的焊接性,利用kW CO2激光对NULCB钢进行了焊接,并分析了焊接接头组织、性能的变化规律.试验结果表明,激光焊接接头显微硬度均高于母材,未出现明显的软化区;焊缝区和热影响区粗晶区组织均为贝氏体板条和M-A组元组成的粒状贝氏体;热输入由120J/mm～600J/mm范围内变化时,随着热输入的增大,M-A组元的平均宽度、总量、形状因子增大,M-A组元线密度减少;随热输入的增大,激光焊接焊缝区冲击吸收功先增大然后减小.合适的激光焊接条件下,激光焊接焊缝区具有良好的韧性,其低温冲击吸收功高于母材.