激光入射角影响焊接熔池匙孔瞬态行为数值模拟

在激光焊接中,激光入射角直接影响着熔池匙孔瞬态行为,而仅采用工艺试验方法难以探索其规律。利用数值模拟技术模拟激光入射角分别为30°、0°、-30°的焊接过程,研究激光入射角对熔池匙孔瞬态行为的影响。同时通过激光焊接试验对仿真结果进行验证,数值仿真的焊缝横截面形貌与试验结果吻合较好,表明仿真结果能够反映激光焊接过程。分析不同激光入射角下温度场、熔池内流场、匙孔后壁反冲压力、匙孔深度和匙孔后壁静压力的变化。结果表明,激光入射角的正负影响熔池内部流动的快慢;激光入射角为正时,有利于抑制飞溅形成,而激光入射角为负时,则促进飞溅生成;激光入射角的正负明显影响匙孔的稳定性,当激光入射角为负时,匙孔稳定性降低,坍塌频率增加,产生气泡的概率提高。使用合适的激光正入射角有利于提高激光焊接质量。     

TIG焊熔池表面流动行为的研究

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊熔池表面流动行为,在确定TIG焊熔池表面可采用粒子示踪的方法来进行其表面流动行为示踪的基础上,在以激光为试验背光光源,通过激光在TIG焊熔池表面镜面反射后,使得熔池及示踪粒子清晰成像于成像屏上。在此基础上,开展对304不锈钢和Q235普通碳钢的熔池表面流动行为的试验研究,对所获得这两种材料的TIG焊熔池试验数据进行处理与对比分析,探究熔池表面流动规律。研究结果表明:在TIG焊过程中,其焊接熔池存在两种运动模式,在304不锈钢焊接过程中熔池表面的液态金属由边缘向熔池中心流动;在Q235碳钢焊接过程中熔池表面的液态金属不定向、不规则地由熔池中心向熔池边缘流动,并测量304不锈钢TIG焊过程中熔池表面的液态金属流动速率为12 mm/s左右,Q235碳钢的熔池表面的流动速率为15 mm/s左右。     

激光焊匙孔特征的近红外与X射线传感分析

由于多传感匙孔特征参数可以有效地反映大功率激光焊接质量状态,本文研究了匙孔特征信息的提取方法并建立了焊缝成形预测模型。以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和X射线视觉成像系统同时提取了焊接过程中的熔池动态图像,并分割出匙孔区域。针对近红外图像,应用矩方法导出匙孔的不变矩特征,同时定义并提取匙孔面积和最前端点纵坐标两个特征;针对X射线图像则提取匙孔深度和熵两个特征。在不同激光功率条件下得到匙孔特征并进行特征融合分析,然后建立了3个BP神经网络焊缝成形预测模型。探索了匙孔形态、焊接条件和焊接状态三者之间的联系,实现了对焊接过程的在线监测。试验结果表明,将两个传感器获取的匙孔特征信息融合并进行主成分分析变换后,熔宽和熔深的预测绝对误差平均值分别为0.18mm和0.57mm,比基于单个传感器获取匙孔特征建立的BP神经网络分别减小了0.03mm和0.31mm,显示提出的方法能够有效在线监测大功率盘形激光焊接状态。     

低功率脉冲激光-电弧复合热源高效焊接过程中的“匙孔”行为研究

激光-电弧复合热源焊接技术由于具有焊接熔深大、效率高、质量好等优点而受到广泛关注。采用低功率脉冲激光-钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源技术进行镁合金板材的焊接,研究激光脉冲作用消失之后的等离子体行为和激光"匙孔"行为。在上述试验结果的指导下优化工艺参数,对比研究采用单独激光焊、TIG电弧焊和复合热源焊这三种方法实现镁合金板材对接焊相同效果时焊接效率的差异。研究结果表明,激光"匙孔"和"匙孔"等离子体的形成是实现复合热源高效焊接的前提条件,恰当的工艺参数可以使得激光"匙孔"维持稳定的开口状态,这种状态提高了电弧的稳定性和能量密度,延长了镁等离子体的恢复时间,因此能够提高复合热源的焊接效率。达到相同焊接效果时复合热源的焊接效率分别达到单独激光焊接效率的7.14倍和单独TIG电弧焊接效率的4.29倍。     

激光深熔焊接热过程数值模拟的研究进展

激光深熔焊接过程涉及极其复杂的物理化学反应,数值模拟是研究激光深熔焊接过程的温度场、焊件应力与变形、熔池、匙孔演变与反冲压力等问题的基础,而热过程处理是激光深熔焊接数值模拟的关键点。总结和分析了体热源模型、复合热源模型和自适应热源模型的发展情况,论述了材料热物理性能参数在数值模拟中的使用情况,讨论了激光深熔焊接数值模拟中一些关键问题如边界条件,并指出了激光深熔焊接热过程数值模拟需要进一步研究的方向。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转Gauss曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型.利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和"钉头"状的熔池形状.数值模拟结果与试验结果基本吻合.     

焊接参数对不锈钢件残余应力的影响

主要探讨焊接过程中脉冲参数与氮气含量对奥氏体不锈钢焊件残余应力的影响。试验选用304与310两种奥氏体不锈钢,焊接方法采用钨极惰性气体保护电弧焊,采用盲孔法测量不锈钢焊件残余应力值。试验结果表明,较高的脉冲频率、较小的脉冲间距、较高的振幅比及较高的持续时间比等脉冲参数均可降低奥氏体不锈钢焊件残余应力值。此外,少量添加氮气将会提高焊接热输入量,会造成不锈钢焊件残余应力值的增加。通过试验比对发现,在同一焊接参数条件下,310不锈钢比304不锈钢有较大的残余应力。     

光纤激光焊接ANSI304不锈钢中厚板工艺参数研究

随着海工装备和核电工业的发展,对不锈钢厚板的焊接要求越来越高.采用正交试验方法对6mm厚的ANSI 304不锈钢进行光纤激光拼焊,研究了工艺参数(包括激光功率、焊接速度和离焦量)变化对304不锈钢(0Cr19Ni9)焊接结果的影响,结合激光深熔焊原理对试验结果进行了理论分析,并对焊接试件进行了拉伸试验,检测了焊接试件的拉伸性能,获得了6mm厚ANSI 304不锈钢激光焊接的最佳工艺参数.     

光纤激光焊接ANSI304不锈锅中厚板工艺参数研究

随着海工装备和核电工业的发展,对不锈钢厚板的焊接要求越来越高。采用正交试验方法对6mm厚的ANSI304不锈钢进行光纤激光拼焊,研究了工艺参数（包括激光功率、焊接速度和离焦量）变化对304不锈钢（0Crl9Ni9）焊接结果的影响,结合激光深熔焊原理对试验结果进行了理论分析,并对焊接试件进行了拉伸试验,检测了焊接试件的拉伸性能,获得了6mm厚’ANSI304不锈钢激光焊接的最佳工艺参数。     

焊接参数对304不锈钢激光焊接温度场分布特征的影响

采用红外热像测量的方法,跟踪拍摄304不锈钢激光焊接的过程,研究激光焊接参数对304不锈钢焊接温度场特征的影响。试验结果表明,激光功率一定时,随焊接速度的减小,熔化区域的长度和宽度增大,但温度场分布的基本特征未变;焊接速度一定时,随激光功率的增大,焊缝正面温度场的整体温度升高,特别是熔池后端次高温区的温度显著升高和面积显著增大,但温度场分布的基本特征未变;输入线能量相近时,高功率/高速度组合的“小孔”区域温度较高,低功率/低速度组合的次高温区域的温度较高、面积较大,但是后端焊缝区域的温度较低。     

304不锈钢大功率光纤激光焊成形研究

为了研究大功率光纤激光焊在304不锈钢上的焊缝成形,使用5~7kW的激光功率,10~100mm/s的焊接速度在16mm厚的304奥氏体不锈钢上进行全覆盖参数试验。随后观察了焊缝的熔深、熔宽、焊缝形状等成形参数。结果表明,焊接速度低于20mm/s时,焊缝表面会形成隆起,熔深随速度减慢,迅速增加;焊接速度在30~40mm/s时,焊缝表面变得凹凸不平且两边存在咬边,熔深随速度减慢且小幅增加;焊接速度介于50mm/s和90mm/s之间时,焊缝的熔深和熔宽几乎不变;而当速度达到100mm/s时,熔深急剧减小,且钉头形焊缝的形状发生了很大的改变。通过以上试验结果结合小孔效应和熔池特性分析了激光焊缝的成形机理,对大功率光纤激光焊接形成了更全面的认识。     

快速无裂纹焊接法

英国焊接协会提出了一种气体保护钨极弧焊与激光束结合的生产工艺,可以在奥氏体不锈钢上进行无裂纹焊接,并且比普通的焊法速度要快得多。试验是在316、316L、304型不锈钢上,利用高速焊接进行,研究者们发现,利用钨极惰性气体保护焊,当速度接近每分钟35英时时,开始产生裂纹;而激光光束焊接,速度可达每分种157英时。     

毫秒脉冲激光倒置打孔数值模拟

针对微孔加工中常出现的喷溅物附着在工件表面的问题,开展脉冲激光倒置打孔的研究。基于流体力学和热传导理论建立一个二维瞬态非等温层流模型,模拟倒置情况下毫秒脉冲激光在304L不锈钢上打孔的过程。采用显热容法处理材料相变潜热和非线性的热物性,提高了模型的准确性和收敛性。模拟结果表明,倒置打孔不仅能够帮助排出熔融物,还能够充分利用激光能量将材料加热至熔融和汽化。     

低温超导磁体液氦杜瓦用304不锈钢TIG焊工艺研究

304不锈钢具有较高的塑性,低温韧性和优良的焊接性,其焊接结构被广泛应用于包括超导磁体低温杜瓦在内的压力容器中。文中在介绍304不锈钢理化性能和焊接性的基础上,结合焊接工艺试验,分析了304不锈钢TIG焊的工艺特点,为实际焊接结构选择了合理的焊接工艺;最后讨论了304不锈钢的一些常见焊接问题及防治措施。     

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。     

铝合金激光-电弧双面焊接激光稳定、压缩电弧的机制分析

为了阐释铝合金激光-电弧双面焊激光稳定、压缩电弧的物理机理,采用对比试验的研究方法和红外测温、电弧光谱分析的技术手段,分析激光对电弧作用的物理本质.结果表明,在激光匙孔未穿透条件下,激光形成的大梯度温度场为电弧提供阳极斑点是铝合金激光-电弧双面焊电弧稳定、收缩的根本原因,高能量密度的激光热源和高热导率的材料二者不可或缺;而在激光匙孔穿透条件下,光谱分析显示常规钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas arc,TIG)焊电弧的Ar谱线强度最高,不锈钢激光-电弧双面焊电弧次之,而铝合金激光-电弧双面焊电弧Ar谱线最弱,这表明铝合金较高的饱和蒸汽压使得激光在匙孔底部产生较多的激光等离子体,为电弧提供了更加容易的导电通道,因而电弧弧根作用于此.     

钢-铝异种合金脉冲激光焊焊缝表征分析

采用Nd:YAG激光焊对304不锈钢和5052铝合金进行异种金属焊接,分别以峰值功率、焊接速度、离焦量和脉冲频率等工艺参数设计24组工艺试验,并对比分析未熔合、熔合和焊穿3种焊缝表面表征。运用激光点位移传感器测量焊缝高度,探索焊缝高度随激光功率等工艺参数的变化趋势,得出钢-铝焊缝3种表面形貌的工艺参数区间。分析结果表明,焊缝的表面形貌是由激光单点能量、离焦量和脉冲频率等因素共同决定,焊缝高度与峰值功率、焊接速度、离焦量和脉冲频率等工艺参数有一定的变化规律。     

10kW级光纤激光厚板焊接表面塌陷的试验研究

针对12mm厚的SUS 304不锈钢板的大功率光纤激光焊接过程中,焊缝表面容易出现塌陷的问题,利用高速相机及“三明治”焊接方法拍摄了熔池的流动状况。讨论了焊接位置和焊接速度以及底部驼峰的形成对表面塌陷的影响,研究了塌陷产生的原因。结果表明:从水平焊接位置到竖直焊接位置的过程中,表面塌陷平均深度逐步减小。焊接速度越小,小孔前沿孔壁上“凸台”越大,表面塌陷越严重。底部驼峰的形成,导致熔池熔融金属不足,形成表面塌陷。     

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s~2和50 m/s~2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。     

金属超薄板光纤激光焊接

采用连续激光焊接,焊接速度可以达到50～60mm/s,相对于脉冲激光焊接,生产效率上极具优势。采用波长为1070nm的光纤激光对厚度为0.1mm的304不锈钢超薄板进行连续激光搭接焊,研究了焊接功率、焊接速度和离焦量等焊接工艺参数对焊缝质量的影响规律。实验表明,焊接功率的增加会逐步增加焊缝的熔深和熔宽,当焊接功率达到160W时,焊缝在下层板的熔深陡然增大,出现了不锈钢超薄板的激光深熔焊;此外,相对于负离焦,正离焦更容易得到更深的熔深,但焊缝宽度会略有增加,采用+1mm的离焦量产生大熔深和窄焊宽,因此不锈钢超薄板激光焊接适宜采用正离焦。