熔池三维自由表面状态与TIG焊熔透的相关性研究

基于激光视觉测量原理,采用2台同规格的CCD摄像机实时同步采集了钨极惰性气体保护电弧焊熔池自由表面和背面熔宽动态变化视频图像,利用熔池自由表面三维恢复算法获得熔池三维自由表面形貌,并对不同熔透状态的熔池三维自由表面高度变化与同步采集的背面熔宽变化间的相关性进行了定性分析实验.通过建立理想熔池自由表面,入、反射激光束光学变换及成像屏数学模型,逆向仿真研究了不同熔透状态的熔池表面对反射激光点阵形态的影响规律.结果表明,基于激光视觉法获得的熔池三维自由表面动态变化与焊缝熔透之间具有相关性,当焊缝由未熔透过渡到熔透时,熔池表面由凸形逐渐变为凹形,且塌陷量随背面熔宽的增加而缓慢增大,反射激光点阵行曲率变小,激光点逐渐聚为一点.当过熔透时,背面熔宽增加,熔池表面塌陷量迅速增加,反射激光点阵行曲率反而变大,聚集的激光点阵纵向逐渐被拉开.熔池表面逆向建模仿真结果与实际测量结果基本一致,利用反射激光点阵的形态变化可以表征熔透变化.     

基于网格激光的TIG焊熔池三维表面凹凸性分析

针对钨极惰性气体保护焊熔池三维表面测量的问题,提出了基于网格结构激光熔池表面反射的测量方法,并使用CCD采集投影在成像屏上的反射结构激光视屏图像.在此基础上,分别对标准的凹面和凸面反射激光成像进行了标定与分析,进一步对不同电流大小的TIG焊过程中的熔池表面所反射于成像屏上的激光网格信息进行了分析,分析了熔池自由表面的凹凸性.结果表明,采用网格激光能更好的反映熔池表面的凹凸情况,且随着焊接电流的增加,熔池表面由凸面慢慢开始向中间凹陷转变.     

试验参数对GTAW熔池表面三维形貌测量的影响分析

测量熔池表面三维形貌对实现全熔透控制、自动化焊接以及研究电弧与熔池间的相互作用机理具有重要的意义。针对熔池表面高度尺寸不易测量难题,提出了激光视觉测量熔池表面三维形貌方法。基于激光视觉测量原理设计搭建了传感测量试验系统。投射一直流小功率结构光激光器产生的19×19点阵激光于GTAW熔池表面,由CCD摄像机实时采集了经熔池表面反射的激光点阵视频图像,并在304不锈钢板上进行了光路参数和焊接规范变化对传感质量的影响规律试验研究。结果表明,基于此试验系统所获得的反射激光点阵变化能够表征熔池自由表面三维形貌的变化,通过试验研究获得了采集最佳视频图像的参数范围,缩短了焊接试验周期,为后续熔池自由表面的三维恢复提供了有效、可靠的图像数据。     

钨极氩弧焊熔池表面高度测量中变形条纹图的获取

提出一种基于条纹反射和傅立叶变换的测量GTAW熔池表面高度的新方法.利用激光器将光栅条纹投影在GTAW熔池表面,反射光轴上设置双透镜系统以转移熔池物面,利用空间滤波的方法阻挡弧光成分,在输出面放置白屏接收反射的熔池变形激光条纹,用CCD对屏上变形条纹实时成像.分析了焊枪位置、熔池的反射性能、弧光辐射等对变形条纹图获取的...     

空气耦合超声波的位移测量

非接触测量距试件表面几十毫米处的距离或位移时,激光是主要的检测手段。然而,当检测容易吸光的黑色橡胶、表面反射很弱的透明材料以及表面反射和底面反射重合在一起的半透明材料时,激光检测方法就无能为力了。非接触空气耦合式超声无损检测技术很好地弥补了激光检测技术的不足。利用空气耦合超声表面发射法,只需测量试件的表面反射波即可测量任何材料试件的距离或位移。使用表面反射法,选用2 MHz的空气耦合点聚焦探头,在空气中对试件位移进行了实时测量,试验结果表明,温度变化在0.1℃范围内时,检测精度能达到0.01mm。     

不锈钢/碳钢TIG焊熔池表面流动行为

为研究异种钢在钨极惰性气体保护焊过程中的熔池表面流动行为,以粒子示踪法为基础,通过激光熔池表面反射的方法,对304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢焊接过程中熔池表面液态金属的流动行为进行了研究,分析了熔池表面示踪粒子的运动趋势,并以此为依据计算了熔池表面液态金属的流动速度.结果表明,在不锈钢/碳钢的TIG焊过程中,熔池表面的液态金属存在从不锈钢侧流向碳钢侧的流动行为.其中,示踪粒子在304不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为25.3 mm/s,在316L不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为21.6 mm/s.     

激光熔覆中不同激光热源对熔池表面形状的影响

对比了在激光熔覆过程中,实心高斯激光和空心环状激光这两种不同激光热源的能量分布情况,利用ANSYS软件对这两种激光热源的熔覆温度场进行了有限元分析,根据模拟结果分析了这两种激光热源对熔池表面形状的影响,从而得出结论:空心环状激光比实心激光的能量分布更为合理,可以得到较为平坦的熔池表面形状,从而减小熔池表面对激光的漫反射区域,避免旁轴同步送粉装置喷口处粉末被反射激光熔化而堵塞喷口的情况发生。     

用从明暗恢复形状方法提取焊接熔池的表面高度

介绍了Lee—Kuo提出的通用反射图方程,引入光滑性约束条件和变化光滑因子以及收敛条件对该算法进行改进并对反射图方程的求解也进行了改进,在实际成像条件下的合成图像恢复了物体的表面高度,并与Lee—Kuo方法的结果进行了对比。分析了焊接过程中的成像特点,得到了焊接熔池的反射图方程,并获取了实际焊接熔池的正面形状信息。     

背反射增效激光X形焊缝焊接残余应力的数值分析

以1.5 mm厚的TC4钛合金薄板为对象,建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型,基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了X形焊接成形的应力场.结果表明,在常规激光焊接仅能获得V形焊缝的激光工艺参数下,背反射增效激光焊接可获得对称性好的X形焊缝;同时,其焊缝上表面纵向残余应力与常规激光焊接基本一致,但其焊缝下表面纵向残余应力较常规激光焊接要大,且达到了上表面纵向残余应力相同的水平;此外,不同线能量下背反射增效激光焊纵向残余应力的变化很小,表明背反射增效激光焊接的线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低.     

激光3D打印AlSi10Mg铝合金点阵结构材料的组织和力学性能

以不同激光3D打印参数制备了AlSi10Mg铝合金点阵结构材料,探索其最优化打印参数,研究了铝合金点阵结构材料的组织和性能,以及后续热处理对其组织性能的影响。结果表明,最优化打印参数为:环境温度80 ℃,粉层厚度30 μm,激光束直径80 μm,激光能量370 W,激光扫描速度1300 mm/s。制备的铝合金点阵结构材料空洞缺陷少,致密性高,显微组织呈一层层交错堆垛的激光熔池,为细小的α-Al等轴胞状晶和球状Si颗粒相组成,性能良好。经热处理后,原激光熔池缺陷、等轴胞状晶特征消失,Si颗粒相不断析出并长大,硬度和静态压缩试验下的平台应力降低,压缩性能下降。     

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.     

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.     

扫描速度对激光选区熔融316L不锈钢表面粗糙度和力学性能的影响

采用选区激光熔融法在不同扫描速度下制备了316L不锈钢成型件,通过物相分析、金相观察、拉伸试验、维氏硬度试验和表面粗糙度试验,研究了扫描速度对成型件相组成、熔池形态、表面粗糙度、密度和力学性能的影响。结果表明,在不同的扫描速度下（800～1200 mm/s）样品均能成功打印。此外,随着扫描速度的增加,未重熔的熔池深宽比降低,表面粗糙度从5.78μm增加到22.79μm。当扫描速度为800 mm/s时,裂痕出现;当扫描速度超过1100 mm/s时,出现收缩纹路。当扫描速度为800 mm/s时,由于激光输入能量过高,样品具有较高的孔隙率。当扫描速度为900 mm/s时,样品具有最佳的维氏硬度（2401 MPa）和最高的相对密度（99.2%）。     

VAR过程电弧等离子体的电磁特性研究

依据磁流体动力学及等离子体物理学理论,建立三维有限元模型对VAR过程电弧区电磁场进行数值模拟,并以此分析其对铸锭质量的影响.结果表明,熔炼电极底部的电流密度和电磁力均最大;随着径向距离的增加,熔池表面的电流密度逐渐减小,焦耳热逐渐降低;弧长较大时,熔池表面的电磁力几乎不变;弧长较小时,随着径向距离的增大,电磁力先增大后减小.熔池表面的焦耳热随着弧长的增加而降低,但当弧长由45 mm增至50 mm时,焦耳热降低并不明显.弧压的增加会使得熔池表面的焦耳热增大.     

焊接裂纹磁场模拟及磁光成像检测

研究交变磁场下的焊缝裂纹磁化规律,针对碳钢（Q235）焊缝裂纹,进行交变电磁场励磁下焊缝磁光成像无损检测的仿真和试验. 基于交变励磁下焊缝励磁规律的仿真模型,研究裂纹间隙分别为0.03,0.05,0.07和0.1 mm的焊缝表面磁通密度（磁感应强度）模曲线分布差异. 钢板对接间隙分别限定为0.03,0.05,0.07和0.1 mm后,通过激光焊接钢板两端来模拟仿真试验中的裂纹. 进行磁光成像无损检测试验,并将试验结果与仿真结果进行对比. 结果表明,在仿真试验与工艺试验中,焊接裂纹感应磁场的变化规律基本相同,磁感应强度不会因采样起始点不同出现较大的差异.     

高功率激光焊接SUS304不锈钢数值模拟与试验研究

针对高功率激光焊接SUS304不锈钢形成"钉子头"型焊缝缺陷的原因进行数值模拟,并通过试验进行对比。首先,利用COMSOL Multiphysics4.3a有限元软件建立了激光焊接熔池流动和传热耦合的三维模型。模型考虑Marangoni力、浮力和潜热共同耦合的熔池传热和流体流动,通过添加源项处理过渡区固-液相变问题。其次,分析了Marangoni对流对温度场、流场及熔池形貌的影响机制。最后,基于模型对SUS304不锈钢进行了激光深熔焊接试验。结果表明:Maragoni对流是导致上表面高温熔融金属液向熔池边缘流动,致使熔宽增加,从而形成"钉子头"型焊缝的原因。试验结果与模拟结果基本吻合,焊接速度从25 mm/s降低至10 mm/s,熔宽和熔深均增加,熔合线曲率越大,"钉子头"型焊缝越突出。     

激光增材制造Ti6Al4V点阵结构的抗压吸能特性

人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸（20 mm×20 mm×30 mm）内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响;点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45°;点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展;能量吸收能力随着相对密度增大呈递增趋势,随着胞元尺寸增大呈递减趋势;能量吸收效率随着相对密度增大呈递减趋势,随着胞元尺寸增大呈递增趋势。     

T型接头双侧激光同步焊接热源模型的建立及验证

基于T型接头双侧激光同步焊接工艺特性和热源特点,建立了新型的高斯面热源+自适应体热源的组合式热源模型,高斯面热源体现小孔上方等离子体云的加热作用,自适应体热源体现小孔内部激光的菲涅耳吸收和逆韧致吸收作用,并考虑小孔对传热传质的影响。采用Fluent软件建立准确描述T型接头双侧激光同步焊接过程的三维数学模型,分析其温度场和小孔特征。模拟结果表明:熔池温度和小孔形状沿桁条中心呈对称分布,在横截面上熔池温度梯度随着距桁条中心距离的增加而增大且蒙皮侧更明显,熔池最大长度位于小孔交互位置而非熔池表面,其根本原因是双侧热源的交互耦合作用。模拟计算结果与试验测量结果对应良好,证明了模型的准确性和适用性。     

TA15钛合金激光表面重熔快速凝固晶粒异常粗化

研究了热轧退火近aTA15钛合金激光表面重熔快速凝固组织及激光扫描速度对快速凝固组织的影响.结果发现:无论激光扫描速度如何加快,采用激光表面重熔快速凝固技术都不能细化TA15钛合金重熔区晶粒组织,TA15钛合金激光表面重熔区快速凝固β晶粒组织"异常"粗化,重熔区中β晶粒尺度分别是原始基材中a晶粒的10～20倍和β晶粒的32～62倍.分析表明,TA15钛合金激光表面重熔熔池的快速凝固是一个以熔池底部热影响区项部与熔体接触的未熔母材β晶粒为衬底的直接外延生长(无形核)过程,因此热影响区顶部与熔体接触的未熔母材β晶粒大小决定了重熔区快速凝固β晶粒的大小.激光加热表面重熔熔池形成过程中,熔池底部与熔体接触的未熔母材β晶粒在短时超高温作用下发生了严重长大,是导致钛合金激光表面重熔区β晶粒组织"异常"粗化的直接原因.     

激光-MAG复合焊熔质分布与熔池流动特征

采用扫描电子显微镜和高速摄像机分析了CO2激光-MAG电弧复合焊接焊缝中熔质元素的分布规律,以及复合焊熔池的形成过程与熔池内熔质分布的关系.熔质分布与熔池的流动状况及元素添加位置密切相关,其决定因素是激光与电弧两热源间距变化引起的熔池流动特征变化.激光匙孔强烈的波动和熔体紊流可以使熔质分布均匀化,但低熔点金属形成的等离子蒸气冲击力会使熔质在焊缝中形成局部区过度富积,而激光束流的扫描和搅拌可进一步促使熔质元素分布均匀化.当光丝距离为3 mm、元素添加位置距表面1.0 mm时,熔池中添加元素含量较高并且分布最为均匀.