数值模拟驱动的激光透射焊接PET与304L不锈钢的优化研究

生物医学领域中的生物植入体必须使用具有生物相容性的材料进行连接以适应人体内复杂的生物、物理和化学环境。激光透射焊接(LTW)是解决生物医用材料之间连接的一种新方法。由于利用实验方式获得生物医用材料的最佳焊接工艺参数时间长、成本高,因此提出一种数值模拟驱动实验设计、工艺参数建模与优化的方法,对激光透射焊接生物医用材料进行了系统的研究。首先利用有限元模型(FEM)对焊接过程中的温度场进行模拟,并用焊接实验对模拟结果进行验证;然后利用FEM的模拟结果进行实验设计,用人工神经元网络(ANN)建立工艺参数和焊接结果之间的数学模型,并用FEM的模拟结果对此数学模型的预测结果进行验证;最后采用满意度函数(DF)与遗传算法(NSGA-II)相结合的方法,对工艺参数进行多目标优化,并对优化结果进行验证。结果表明:优化的预测结果、实验结果、模拟结果之间均取得了较好的一致性,此方法为有效指导生物医学领域中的焊接实验、提高焊接质量和降低生产成本开辟了新途径。     

45钢基体激光熔覆316L粉末搭接过程中Cr元素分布机制研究

为了探究激光熔覆搭接过程中元素分布的演化机制,建立了基于体积平均法的Eulerian-Eulerian多相流三维熔化凝固模型,模拟了45钢基体激光熔覆316L粉末的过程,获得了搭接过程中第一、二道熔覆层之间温度场、流场及溶质场的相互作用机制。对比分析了搭接过程中第一、二道熔覆层模拟与试验的熔池形貌结果,熔深误差分别为1.96%和5.39%,熔高误差分别为0.97%和2.62%,熔宽误差分别为7.27%和6.70%,验证了模型的可靠性。Cr元素分布结果表明：在第一道熔覆层的影响下,第二道熔覆层Cr元素的平均含量略高于第一道熔覆层Cr元素的平均含量。搭接区域Cr元素的平均含量略高于两道熔覆层Cr元素的平均含量。这是由于第一道熔覆层影响第二道熔覆层的熔池尺寸、横截面左右温度梯度分布及基体热量吸收,因此两道熔覆层的元素分布有着显著差异。     

活性激光焊接304不锈钢温度场的数值与试验研究

为了研究活性剂对激光焊接试样熔池温度的影响,以304不锈钢厚板为对象,建立了活性激光焊接的ANSYS 3维有限元模型,数值模拟其焊接温度场,并采用红外热像仪同步监测熔池温度变化情况。综合数值计算与试验检测数据,对比分析了涂覆不同活性剂及未涂敷活性剂的试件在激光焊接过程中的温度变化趋势。结果表明,数值模拟结果与试验结果基本吻合,活性剂涂敷并未对温度场分布造成明显影响,但对熔池的峰值温度略有改变,相比未涂敷活性剂焊接试件,SiO₂和TiO₂活性剂使熔池峰值温度升高约7%～9%,NaF活性剂使熔池峰值温度降低约5%。此研究将丰富和发展活性激光焊接厚板的基础理论,为活性激光焊的推广应用提供重要理论和试验基础。     

合金钢激光焊接的研究

就合金钢 35Cr Mo的机械特性研究了激光焊接中的机理及特性效应和最佳焊接工艺参数 ,指出影响激光焊接的主要因素。     

激光焊接工艺参数对NiTi形状记忆合金焊缝成形的影响

采用Nd∶YAG连续激光器对2mm厚NiTi形状记忆合金(SMA)进行激光焊接。研究了激光焊接过程中激光功率、焊接速度、离焦量、侧吹保护气流量等主要工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明,激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数的合理匹配是实现NiTi合金良好焊缝成形的关键因素。线能量为59～75.6J/mm时能获得最佳焊缝成形;离焦量在-2～3mm时均能使厚度2mmNiTi合金试件焊透,其中离焦量在0～1mm可以得到最佳焊缝成形;当侧吹气流量为15～20L/min时,气体保护效果和焊缝成形最好。通过大量工艺实验得到2mm厚NiTi合金焊接速度与激光功率的不同匹配对焊缝成形影响的曲线,为NiTi合金焊接加工及工程应用提供参考。     

激光焊接厚钢板的工艺研究

采用 5kW三折腔横流CO2 激光器对 5mm、6mm厚的A3钢板进行焊接实验 ,主要研究了焊接功率、速度、离焦量以及侧吹气流量对焊接深度和焊缝宽度的影响 ,并对焊接样品进行金相分析和显微硬度分析     

激光透射焊接PMMA的工艺参数对焊接质量的影响

热塑性塑料PMMA具有较高的透明性和化学稳定性,被广泛应用于汽车门窗、车灯等行业。采用碳黑作为吸收剂,探究PMMA激光透射焊接过程中工艺参数（碳黑含量、线能量密度和PMMA厚度）对焊接质量（拉断力和焊缝宽度）的影响,并对不同碳黑含量和线能量密度的焊缝断面形貌进行SEM观测。结果表明,随着碳黑含量和线能量密度的增大,焊接强度先增大后减小;随着PMMA厚度的增加,焊接强度不断增加,但增大的趋势逐步变缓。同时,3个因素与焊缝宽度都呈正相关。碳黑质量分数为0.15%、线能量密度为1.11 J·mm^-1时,可观测到“山脊状”的断面形貌,此时塑料充分熔融镶嵌,焊接质量好。     

金刚石锯片的激光焊接工艺参数试验研究

采用800W基模CO2激光器对金刚石锯片进行了激光焊接研究。试验并研究了激光功率、焊速、离焦量及偏移量等工艺参数对金刚石锯片的激光焊接质量的影响,获得了焊接的最佳工艺参数,焊缝深宽比约为2mm,焊接熔合深度约为1.2mm。激光焊接的金刚石锯片显著地提高了其结合强度及承载能力。     

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。     

304不锈钢/镍激光焊接中氧对接头形貌、组织及力学性能的影响

为了考察保护气氛中氧含量对焊接质量的影响,对304不锈钢板和镍板进行了激光焊接实验,研究了不同氧含量下的焊缝形貌、组织、成分、硬度分布以及拉伸性能。结果表明,随着保护气中氧气含量的增加,熔池熔深增大,宽度减小,几何不对称度增大,焊缝表面氧化程度加重。当保护气分别为纯氩气和21%(体积分数)氧气时,熔池底部均为柱状晶;当保护气为纯氩气时,熔池顶部为柱状晶和等轴晶的混合晶,加入21%氧气后,熔池顶部为等轴晶。加入21%氧气后,拉伸强度略有增加,焊缝元素的分布更均匀,晶粒度更小,因此显微硬度增大,且在熔池区域内的变化趋于平缓。活性元素氧改变了表面张力系数,引起了熔池内流动与传热模式的变化,并进一步引起接头形貌、组织与性能的变化。因此,可以通过调整保护气中的氧含量来调控焊接质量。     

塑料的激光焊接工艺

随着塑料制品在现代工业中的广泛应用,先进制造业对激光塑料焊接的需求越来越迫切。本文论述了用激光焊接塑料的基本原理,目前的应用情况及发展趋势。通过选用激光、加工设备研究了塑料焊接工艺。按材料,焊接工艺和主要参数,来全面介绍了激光塑料焊接的取得的成果和现阶段的工作。     

聚氯乙烯激光透射焊接温度场的有限元模拟

使用ANSYS软件,建立了使用激光透射焊接技术焊接透明聚氯乙烯(PVC)的三维有限元热分析模型.利用APDL编程实现高斯型热源的动态加载,得到了温度场的分布;进一步分析了焊接速度、激光平均功率和光斑直径等工艺参数对焊接质量的影响,并计算出焊缝宽度.结果表明,随着焊接速度的增加,焊缝区域的最高温度逐渐降低,焊缝宽度逐渐减小;当激光平均功率增大时,焊缝区域的最高温度增高,焊缝宽度增大;而当光斑直径增大时,焊缝宽度增大,但焊缝处的最高温度有所下降.焊缝宽度计算值与实验测量值相比,二者比较吻合.     

激光-MIG复合焊接304不锈钢工艺研究

为了研究304不锈钢光纤激光-MIG(metal inert-gas welding)复合焊接性能,采用正离焦的方法进行了大量的焊接实验。分析了送丝速率、弧长、激光功率、光丝距离、焊接方向和不同对接接头等参量对焊接成形的影响。结果表明,在焊丝的干伸长度为15mm、光丝距离为2mm、采用前送丝时,通过适当调节送丝速率、弧长可以实现较好的焊接效果;小直径焊丝有利于形成较小熔宽和余高的焊缝,而通过加入引弧板可以解决初始位置焊缝成形较差的问题。因此,采用合适的激光-MIG复合焊接工艺可以实现304不锈钢较好的焊接效果。     

应用ABAQUS模拟激光焊接温度场

为了减小焊接变形,优化焊接工艺,需要准确预测激光焊接过程中温度场的分布情况,使用有限元模拟来预测温度场的分布是一种较好的方法.通过分析和总结激光焊接过程有限元模拟和理论分析的研究现状,以平板的焊接为例,建立了物理模型,并利用ABAQUS进行了激光焊接三维温度场的有限元模拟,讨论了模型的网格划分、边界条件及其模拟结果的后处理.模拟结果可以给出试件上任意一点任意时刻的温度情况,在激光功率为2000W、焊接速度为20mm/s的参数下模拟焊接2mm厚的A3钢板.结果表明,最高温度为3100℃左右,距焊接中心横向mm处A点的最高温度为150℃左右,与相同参数条件下的实验结果基本一致,说明有限元模拟可以准确预测焊接过程的温度场分布情况.     

激光焊接工艺对K418与0Cr18Ni9焊接接头性能的影响

为了研究激光焊接工艺对K418与0Cr18Ni9异种金属焊接接头性能的影响,采用金相显微镜对焊缝的金相组织和形貌进行了分析,评价了焊缝及周边的硬度和强度。结果表明,在激光焊接K418高温合金与0Cr18Ni9时由于母材热物性参量存在较大的差异,为保证焊缝质量,激光光斑应偏向0Cr18Ni9合金一侧;为了防止热裂纹和液化裂纹的产生,应该尽量延长熔池凝固时间同时减少热影响的热输入;当保护气体流量为12L/min时,对焊缝的保护效果最好,与Ar₂相比N₂能有效减少焊缝中气孔的含量,但也会降低焊缝性能;焊缝的硬度值位于两母材硬度之间,焊接接头的强度约为母材的89%。采用合适的激光焊接工艺可以实现K418合金与0Cr18Ni9较好的焊接效果。     

聚丙烯塑料激光透射焊接工艺

利用正交实验方法,研究了聚丙烯(PP)塑料的激光透射焊接工艺参数对焊接质量的影响。对焊接样品进行拉伸测试和切片实验,分析了各焊接因素对拉伸强度和焊缝宽度的影响。结果表明,各焊接因素对焊接强度的影响大小顺序为:焊接速度→激光器的频率→焊接后冷却时间→夹具的夹紧力→光斑直径→激光器功率,并发现激光能量密度过高会导致样品表面焦化形成黑色焊缝,焊缝不均匀则产生伪断裂现象。并用极差法确定了聚丙烯的最佳焊接工艺参数。     

考虑碳排放的铝合金薄板激光摆动焊接工艺参数优化

激光摆动焊接在抑制气孔缺陷方面的突出作用,为铝合金薄板焊接提供了一种有效技术手段,激光摆动焊接工艺参数的选择对焊接质量及碳排放有直接影响。为实现铝合金薄板搭接焊接的低碳化,对铝合金薄板搭接激光摆动焊接碳排放进行量化,并基于多输出高斯过程构建了表征工艺参数与焊接质量、碳排放之间对应关系的近似模型,在此基础上结合非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）搜索最优的焊接目标,获得对应的最佳工艺参数。经工艺试验验证,在最佳工艺参数下焊缝成形质量得到有效提升,且气孔、熔池下塌、内凹等焊接缺陷得到抑制,焊接过程碳排放有效减少12.99%,而接头最大承载力仅降低2.47%,能够在保障焊接质量的同时显著减少焊接过程碳排放。     

激光焊接参数对焊接质量影响的实验研究

本文研究了激光焊接参数电流、电压对焊缝成形以及等离子体的电子温度的影响,建立了焊接参数电流、电压与焊缝熔深和熔宽的关系,探究了激光焊接等离子体的电子温度与焊接质量及焊接过程稳定性的关系。研究结果表明,等离子体的电子温度随着焊接电压和焊接电流的增大而增大,焊接电流与等离子体的电子温度间呈一定的二次函数关系,焊接电压与等离体子的电子温度基本呈线性关系;焊接电流与成形的焊缝的熔深和熔宽有一定的线性关系,熔深和熔宽均随着焊接电流的增大而增加;焊接过程中等离子体电子温度的波动情况可以反映焊接过程的稳定性,当焊接过程不稳定时,等离子体的电子温度也随之发生波动。     

钢/铝异种金属光纤激光焊接数值模拟

为了研究钢/铝异种金属激光深熔焊接的温度分布情况,采用有限元ANSYS软件建立了钢/铝异种金属激光对接焊的数学模型,对焊接温度场进行了模拟。通过计算模拟得到了不同时刻的温度场分布云图、试件表面节点的热循环曲线以及焊接速率对温度场变化的影响,并与实际焊接试验结果进行了对比。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢一侧的温度梯度大于铝合金一侧的温度梯度;随着焊接速率的增大,热源中心的最高温度会逐渐降低,焊接熔池的熔宽也会随之逐渐变小。模拟的焊缝形状与实际焊接实验得到的焊缝截面的熔合线基本一致,熔池熔宽的模拟结果与实验结果误差在5%以内,验证了模拟结果的准确性。     

帕萨特领驭车身激光焊接工艺研究

文章主要从工艺角度论述了上海大众帕萨特领驭这一车型中所应用的两种典型激光焊接技术-车顶与侧围外板的激光熔焊和后盖外板上下板的激光钎焊。并根据大量的试验结果,列举了几个主要工艺参数对激光焊接质量的影响,提出了保证良好焊接质量的方法。