激光焊接过程的熔池动态行为研究

文中首先采用高速摄像在线监测系统对激光自熔焊、激光填丝焊熔池动态行为进行分析，并对焊缝成形进行对比分析，进一步采用数值模拟的方法对激光自熔焊、激光填丝焊填充金属作用下的焊接熔池动态行为进行对比分析.研究结果表明，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，在匙孔开口后方出现了金属隆起，金属的隆起尺寸较大，激光自熔焊焊缝成形较差，表面有凹坑出现.激光填丝焊匙孔壁后方熔池表面出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，但在其下方出现由熔池尾部回流向匙孔的流动，虽然也会产生焊接飞溅，但焊接飞溅的尺寸相对较小，而且由于液态金属的填充作用，焊缝表面不易出现下凹的缺陷，焊缝成形良好.与激光自熔焊相比，液态熔滴进入熔池后，匙孔壁后方的熔体流动速度波动程度明显增大.     

不同组元活性剂对不锈钢脉冲TIG焊熔池表面张力的影响

准确获取焊接条件下熔池金属表面张力的基础数据对深入理解焊接过程中熔池金属流动及传热机制、焊缝缺陷形成等具有重要意义,但实时测量十分困难. 采用激光视觉法测量了单一组元(TiO₂,CaF₂)及二组元(30%TiO₂ + 70%CaF₂,70%TiO₂ + 30%CaF₂)活性剂下304不锈钢脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率,并根据特定模式下熔池特征频率与表面张力的解析模型计算了熔池金属表面张力,分析了不同组元活性剂对熔池金属平均表面张力的影响规律,在此基础上研究了不同组元活性剂对焊缝熔深的影响和增加熔深的机理. 结果表明,TiO₂能够改变熔池金属表面张力温度梯度,使熔池金属流动方向发生变化,CaF₂能够降低熔池金属表面张力绝对值,使熔池金属流速增加;二组元活性剂增加熔深是熔池金属流速增加和表面张力温度梯度改变共同作用的结果.     

活性剂对GH4169薄板电子束焊接焊缝成形的影响

选用镍基高温合金GH4169进行试验,分析了不同种类活性剂对焊缝成形的影响规律,发现添加不同的氧化物对焊缝表面成形、熔深均有影响,而添加氟化物却影响不大.在此基础上,进行配比和优化,得到了能改善焊缝成形,提高表面质量的电子束焊活性焊剂.分析活性剂改善电子束焊接焊缝成形的原因,认为添加活性剂改变了熔池内部的表面张力梯度,从而影响了熔池的流动方式,形成了窄而深、表面成形较好的焊缝.结果表明,活性剂电子束焊接能改善焊缝表面成形,并可进一步消除咬边等表面缺陷,这对薄板的电子束焊接技术很有帮助.     

电子束定点焊接304不锈钢熔池流动行为数值模拟

基于电子束焊接过程的传热与受力物理过程分析,建立相应模型,对电子束定点焊接304不锈钢的温度场与流场进行数值模拟,研究电子束焊接熔池流动行为及焊缝成形规律.结果表明,电子束加热阶段,熔池上表面温度梯度达到106 K/m,熔池表面峰值温度高,在沸点温度附近波动,强烈的金属蒸汽反作用力成为熔池流动的主要作用力,促使熔池中心下凹并不断波动,熔池冷却凝固阶段,金属蒸汽反作用力下降,熔池金属表面张力梯度引起的Marangoni对流成为熔池金属流动主要驱动力,促使焊缝表面熔宽增大,熔池凝固后焊缝上表面宽度为1.9 mm,中心处宽度为1.6 mm,下表面宽度为1.8 mm.     

活性剂对钛合金激光焊焊缝成形影响

咬边是钛合金激光焊常见的焊缝成形缺陷,文中将A-TIG焊用活性剂应用于TA15钛合金CO2激光焊的研究结果表明,活性剂不仅可有效地改善焊缝咬边缺陷,而且可降低激光深熔焊的激光功率密度和热输入阈值.同样的焊接工艺参数,活性剂使钛合金CO2激光焊全熔透焊缝的背宽比增大,焊缝表面熔宽减小而中部熔宽增大,但过高的激光功率密度和热输入,活性剂反而影响激光对钛合金的作用,焊缝背宽比减小,表面熔宽增大,可能与金属汽化过于强烈有关.活性剂改善钛合金激光焊焊缝成形的作用主要有三方面,即增加钛合金对激光能量的吸收;降低熔池表面张力,改变表面张力流方向;降低光致等离子体的电离度,缩小等离子体云.     

A-TIG焊中氧含量对熔池流动方式影响的数值模拟

建立了三维移动热源作用下焊接熔池的数学模型,模拟了不同氧含量下熔池中的速度场和温度场.结果表明,氧化物活性剂中的氧元素改变了熔池中的表面张力温度系数,从而影响熔池中的流动方式,是熔深和深宽比增加的重要原因;随着氧含量的增加,深宽比和熔深急剧增加,熔宽减小.当氧含量超过150×10-6时,增加氧量,熔池表面最高温度减小,并逐渐趋于一定值;当氧含量超过200×10-6时,深宽比、熔深和熔宽趋于一定值;氧含量小于300×10-6时,熔池表面最高温度高于正表面张力温度系数作用的温度范围,正、负表面张力温度系数在熔池中同时存在.当氧含量超过300×10-6时,熔池表面最高温度处于正表面张力温度系数作用的温度范围之内,熔池中的表面张力温度系数为正值;随着氧含量的增加,在熔池中出现数目、大小、方向、位置不同的涡流,当两个涡流的方向均由熔池边缘流向熔池中心的环流时,涡流有效地把电弧能带到熔池底部,产生较大的熔深和深宽比.     

基于数学模型的AA5083激光焊缝传热、流体流动特性及孔隙率研究

利用流体动力学(CFD)模型来分析激光对焊的温度和流体流动,并由此提出了热源模型,经过调整,同时适用于深熔焊和全熔透焊接的大范围焊接条件。通过此模型研究了厚为4 mm铝合金(AA5038)激光焊。预测结果分析有助于更好地了解铝合金激光焊缝孔隙率的形成。预测的熔池内流动模式本质上与多种焊接参数相同:紧邻熔池表面存在涡流(深熔焊只存在上表面,全焊透存在于上表面和下表面)。预测的熔池大小随着激光功率的增加和焊接速度的减小而增大,最大流速随着激光功率和焊接速度的增加而增大。从深熔焊到全熔透焊缝,孔隙率急剧下降,原因在于熔池底部气体的外溢产生的驱动力。全熔透情况下,当使用较高的激光功率或较低的焊接速度时,能获得较低的孔隙含量,原因在于熔池凝固之前,气孔有足够的时间向外逃逸出去。     

考虑自由表面的定点A-TIG焊数值分析

根据流体力学基本原理,并用VOF方法追踪自由表面,建立了更接近实际情况的三维定点A-TIG焊熔池数学模型,综合考虑了熔池液态金属所受的浮力、电磁力、电弧压力和表面张力,同时考虑了熔池内液态金属的对流、辐射和热传导,运用FLOW-3D软件求解得到了定点A-TIG焊熔池自由表面、温度场及流场,并重点分析了有、无活性剂时熔池自由表面的变化情况. 结果表明,不使用活性剂时,熔池自由表面呈中心下凹、两边凸起的形状;使用活性剂时,表面张力温度系数由负变正,使熔池自由表面呈中心凸起、两边下凹的形状;在焊接电流I≤150 A的条件下,有、无活性剂时考虑自由表面变形情况下温度场、流场及熔池形貌的数值模拟结果与试验结果和不考虑自由表面变形时现有的数值模拟结果基本一致.     

激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

激光焊接匙孔和熔池行为与焊接缺陷的形成和焊接质量直接相关,研究激光焊接匙孔和熔池行为对理解激光焊接机理和控制焊接质量具有重要意义。国内外学者根据焊接过程中的物理现象和测试数据,提出了相应的数学模型和计算方法,来模拟熔池内部的流动行为、匙孔的演化行为及其内部金属蒸汽的动力学行为,通过激光焊接熔池行为的数值模拟可提前预测并采取相应措施降低焊接缺陷的形成,将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术,如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括,以期为激光焊接熔池数值模拟方面的研究提供参考。     

304不锈钢激光深熔焊元素蒸发及焊缝合金含量变化

通过模拟和试验的方法对激光深熔焊304不锈钢焊缝合金成分变化进行了研究. 利用电子探针X射线显微分析对母材及焊缝中的Fe,Cr,Mn,Ni元素含量进行分析. 基于对焊接熔池温度场和流场的计算,建立了深熔激光焊元素蒸发和焊缝合金含量变化的模型. 结果表明,深熔激光焊元素蒸发主要发生在小孔及熔池表面,其中小孔内金属蒸发强烈,而小孔外的熔池表面蒸发量较小. 与母材相比,焊缝中Mn,Cr元素含量减少,而Ni,Fe元素含量增加. 焊缝合金含量变化随焊接功率增大而减小,但对于焊接速度的改变不敏感. 计算结果与试验检测结果吻合良好.     

外加横向磁场对304不锈钢焊接熔池影响机理分析

为了改善焊缝成形及提高焊接零件组织和性能,文中采用有限元法对外加磁场作用下的304不锈钢焊接熔池进行电磁场和热流场之间的耦合分析,得到了有无外加横向磁场作用下熔池内液态金属流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场使熔池横截面最大流速分布由单一的熔池中心中部改为熔池中心上表面略靠下和熔池底部;熔池纵截面最大流速由首尾端漩涡交汇处改为沿两个漩涡流动方向较均匀分布,这是由于电磁压力抵消了部分表面张力,使表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置. 在304不锈钢上进行堆焊试验,焊道横截面组织形貌证实了上述模拟结果.     

Tailoring surface quality through mass and momentum transfer modeling using a volume of fluid method in selective laser melting of TiC/AlSi10Mg powder

A selective laser melting (SLM) physical model of coupled radiation transfer and thermal diffusion is proposed, which provides a local temperature field. A strong difference in thermal conductivity between the powder bed and dense material is taken into account. Both thermo-capillary force and recoil pressure induced by the material evaporation, which are the major driving forces for the melt flow, are incorporated in the formulation. The effect of the laser energy input per unit length (LEPUL) on the temperature distribution, melt pool dynamics, surface tension and resultant surface morphology has been investigated. It shows that the surface tension plays a crucial role in the formation of the terminally solidified surface morphology of the SLM-processed part. The higher surface tension of the lower temperature metal near the edge of the melt pool and the thermal-capillary force induced by the surface temperature gradient tend to pull the molten metal away from the center of the melt pool. For a relatively high LEPUL of 750 J/m, the molten material in the center of the melt pool has a tendency to flow towards the rear part, resulting in the stack of molten material and the attendant formation of a poor surface quality. For an optimized processing condition, LEPUL=500 J/m, a complete spreading of the molten material driven by the surface tension is obtained, leading to the formation of a fine and flat melt pool surface. The surface quality and morphology are experimentally acquired, which are in a good agreement with the results predicted by simulation.     

激光熔覆熔池二维准稳态流场及温度场的数值模拟

本文建立了二维准稳态激光熔覆熔池流场及温度场的数值模型,除考虑对流换热外,模型还考虑了局部大变形自由表面．在贴体正交曲线坐标系下采用了非交错网格SIMPLE算法离散求解动量方程,计算出了激光熔覆熔池自由表面形状和温度场、速度场及局部特征凝团参.数值结果表明,表面张力温度系数和扫描速度μ0对熔池自由表面形状及熔池内温度分布、速度分布有重要影响．同时进行激光熔覆的工艺实验,实测枝晶二次臂间距（SDAD）的实验结果和数值结果吻合良好．     

Surface tension of molten tin investigated with sessile drop method

1INTRODUCTIONSurface tension is one of the most i mportantthermophysical parameters of molten metals,which greatly influences the processes of crystalli-zation,phase transition and crystal growth of mol-ten metals,and plays a key roleinthe processes ofmetallurgy,casting and welding.Measurement ofsurface tension and its temperature coefficient isi mportant to the research of metal thermophysicalproperties[13].Tin andits alloys are applied widelyin the solder industries and the manufacture o…     

铝合金激光-MIG复合焊熔滴对匙孔作用的模拟

将复合焊接过程中的反冲压力、表面张力等驱动力及熔滴过渡行为考虑在内,建立5A06铝合金激光-MIG复合焊接数值模拟热流耦合模型,由于熔池内的流动及匙孔稳定性对焊接性能有重要影响,因此针对熔滴与匙孔及熔池稳定性的影响进行了系统讨论,并且通过采用不同的熔滴落入位置进行计算.结果表明,当熔滴落入位置距激光中心较近时,熔滴对匙孔的冲击作用较大,匙孔壁的平均流速和波动频率有所增加,匙孔更易由于周期性的熔滴过渡而产生液桥发生闭合,熔滴落入位置还会影响匙孔深宽比,进而影响激光能量的菲涅尔吸收.     

活性化TIG焊熔深增加机理的研究

以不锈钢0Crl8Ni9为实验对象，涂敷含有Bi的SiO2和TiO2活性剂，通过1mm厚高熔点薄钨板挡住熔池流动的方法进行焊接实验．对钨板两侧Bi颗粒的分布进行了测试，分析涂敷SiO2和TiO2后熔池流动方向的变化，同时采集了电弧电压．结果表明：活性剂SiO2和TiO2改变了熔池的流动方向；SiO2使电压提高约4．2V，而TiO2对电弧电压没有影响；活性剂并未使电弧整体发生收缩，而使电弧整体发生了膨胀；SiO2使等离子体发生了收缩；电弧等离子体收缩和电弧导电通道变长是SiO2活性剂提高电弧电压的主要原因．分析认为，SiO2增加熔深是等离子体收缩、阳极斑点收缩和表面张力温度梯度由负变正共同作用的结果；TiO2增加熔深只是表面张力温度梯度由负变正的作用．     

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.