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。     

薄板激光焊接质量影响因素研究

研究了薄板深熔焊（小孔效应焊）时，激光器输出模式及聚焦透镜的热效应对焊接工艺和质量的影响。并提出改进措施。     

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。     

高能束流小孔焊接模式传热过程的 数值模拟

以伴随有小孔效应产生的高能量密度束焊接过程为研究对象,建立了运动热源作用下两维小孔焊接中流体流动及传热过程的数学模型,提出采用位置预置-修正的方法对焊接熔池的固、液相交界面位置进行准确捕捉,并对这一小孔焊接模式进行了较为全面的分析,揭示了材料热物理性能、小孔直径、焊接速度等因素对焊接热过程的影响。     

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.     

激光深熔焊小孔型气孔的产生及其防治

小孔型气孔的产生是未穿透激光深熔焊的一个严重问题，它是由剧烈的小孔扰动所导致的，与传统冶金型气孔(H2或CO气孔等)的产生机制不同，采用传统冶金型气孔抑制措施无法有效消除该类气孔的产生。针对3～5 mm薄板的CO2激光深熔焊接，研究了脉冲调制对气孔的抑制效果及其机制。实验发现，脉冲频率低于50 Hz时，焊缝气孔随着频率的增加不断减少;当脉冲频率处于50～150 Hz的范围内，基本上可以消除小孔型气孔的产生。通过检测激光焊接过程中等离子体光辐射信号的波动可以反映小孔的稳定性，结果证明，合适频率下的脉冲调制激光焊接，由于有稳定小孔的作用，从而抑制了小孔型气孔的产生。     

Q112B硅钢薄板的CO_2激光焊接

研究了Q112B硅钢薄板的CO_2激光焊接。从焊接接头的反复弯曲次数、净化效应、组织及断裂这几个方面分析了硅钢薄板的激光焊接特点。     

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.     

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.     

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。     

同轴监测激光深熔焊熔池小孔的特征分析

为了研究激光焊接工艺参量以及焊接材料对熔池、小孔形貌的影响,搭建了激光焊接同轴监测系统,对比研究了有无辅助光源和不同工艺条件下、采用中心波长分别为532nm和808nm窄带滤光片同轴监测的熔池、小孔图像特征。结果表明,采用808nm激光辅助光源照明和808nm窄带滤光片,可清晰地拍摄到熔池、小孔以及穿透孔特征图像;相同的工艺条件下,熔池变化小,小孔动态波动且波动幅度小,穿透孔的时变动态特征较小孔则明显不同;熔池宽度随激光功率的增加而增大,随焊接速率增大而减小;不同材料激光焊接的熔池、小孔和穿透孔的同轴监测验证了本监测系统的稳定性。该研究对激光焊接质量实时监控有理论指导意义。     

激光深熔焊接小孔孔内等离子体的实验研究

激光深熔焊接时伴随着高电量等离子体的产生。位于小孔上方的等离子体叫做等离子体云 ,而存在于小孔内部的等离子体则称为孔内等离子。本文设计了能直接观测小孔孔内等离子体光发射的实验 ,即用高功率激光焊接夹持铝膜的两片GG17玻璃 ,完全避免了孔外等离子体云对小孔内部孔内等离子体观测的影响。结果表明 ,小孔孔内的孔内等离子体对激光与工件材料的能量耦合有着重要的影响 ,具体表现为焊接深度和焊接宽度的变化 ;当减少两片GG17玻璃所夹持铝膜的厚度 ,即模拟降低小孔孔内等离子体的浓度时 ,可以得到更深的焊接深度 ,此时小孔孔内等离子体的温度相对较低。这就为定量研究小孔孔内等离子体提供了一种新的方法和手段。     

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。     

激光深熔焊过程中保护区特征尺寸的数值模拟

小孔效应和小孔的周期性波动是激光深熔焊过程的重要特点。小孔的波动起伏与小孔内气流压力的不断变化密切相关。这一观点通过分析小孔喷发烟流(Plume)高速摄影图像得到了证实。在测定了小孔喷发烟流的速度后,利用流体力学商用软件FLUENT建立了由保护气体、小孔喷发烟流和空气组成的组分模型,模拟了组分气流的质量分数和流场。实验结果表明,小孔喷发烟流的速度并不是一个恒定值,其数值依气流粒子团和小孔出口位置的不同而不同。在小孔喷出气流速度一定的情况下,研究了侧吹气流的流量和输送角度与影响保护区特征尺寸之间的相互关系,给出了氩气保护区和氦气特征保护区随侧吹气流参数改变的变化规律。从组分气流模拟结果看,焊接区组分以辅助气流为主,但其组分质量分数低于0.9。     

激光深熔焊接任意形状小孔的能量密度计算

为了准确计算激光深熔焊接瞬态小孔演化过程中小孔壁面所吸收的激光能量,提出了一种基于Level set方法和有限差分模型的光线追踪新方法。该方法同时合理考虑了小孔对激光能量的多重反射吸收以及等离子体对激光的逆韧吸收。结果表明,所提出的光线追踪方法可以用来准确计算任意复杂形状小孔壁面的能量密度。     

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。     

等离子体温度分布测量方法的研究

测量激光深熔焊接小孔的温度分布是研究小孔形成机理的重要手段之一。为了获得非对称情况下的等离子体温度的二维分布,通过变量分离方法将光谱测量的一维信息分离为对称和非对称两部分,在阿贝尔变换的基础上,利用数值方法计算出对称部分的平面二维分布,从而获得非对称情况下的平面二维分布。通过假想的非对称分布函数进行了模拟计算和误差分析,结果证明算法的整体误差小,对研究激光焊接形成小孔的机理具有十分重要的意义。     

激光深熔焊细长小孔数值模拟与试验研究

为了准确模拟焊接过程中小孔的瞬态形成过程,采用水平集法追踪小孔气/液界面,运用混合理论处理固/液相变,建立了气、液、固三相耦合模型。该模型综合考虑了表面张力、浮力、反冲压力、固/液间摩擦力、潜热、对流以及辐射等影响因素,数值计算得到小孔演变的动态过程和孔内外金属蒸汽行为。模拟发现,小孔形貌瞬态变化,前后壁凹凸变形,逐渐趋于稳定,孔径约为1mm;金属蒸汽与小孔相互影响,最大蒸汽速率为5.3m/s。采用改进的"三明治"方法进行激光焊接实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。结果表明,水平集法追踪小孔自由界面在激光深熔焊模拟中具有良好的适用性。这为小孔的研究提供了理论依据。     

激光深熔焊接过程中小孔径向尺寸及其动特性

通过对小孔同轴视觉图像的处理提取出小孔径向尺寸，研究了小孔径向尺寸随焊接规范参量变化的动特性。研究结果表明，小孔径向尺寸在工件未焊透时随激光功率的增大而增大，在焊透时小孔径向尺寸随激光功率的变化较小；随着焊接速度的增加，小孔的径向宽度逐渐减小，而其长度有一个先减小后增大再减小的波动过程；离焦量在一定的范围内，在足够高的激光能量密度下，激光辐照范围的增大使得小孔径向尺寸与激光光斑同步变化。     

光纤激光金属薄板拼焊系统和装夹具结构设计

由于超薄不锈钢板本身易变形和拼焊热变形大的特点,除了控制焊接的工艺参数外,激光源和焊装夹具对保证焊接质量极为重要.文章阐述了光纤激光器用于薄板焊接的优势,针对薄板拼焊时的对位、定位和装夹专门设计了特殊结构的对位块和方法,使薄板夹持简单方便,效果良好,可有效地减少和控制定位误差的影响,提高薄板焊接的质量.