負壓激光焊接過程蒸氣羽煙及熔池行為研究.pdf

1、高功率激光焊接由于其高效及高品質(zhì)的焊接質(zhì)量，使其在中厚板構(gòu)件的制造上體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。然而隨著板厚的進一步增加，對激光功率及光束質(zhì)量提出了更高的要求，且深熔焊接過程中的焊接缺陷也是制約高質(zhì)量制造的關(guān)鍵問題之一。真空激光焊接的出現(xiàn)不但大大增加了焊接熔深，且有效提升了焊接質(zhì)量，但真空室有限的空間尺寸限制了其在大型構(gòu)件厚板激光焊接中的應用。為此，本文結(jié)合真空焊接的特點，提出了一種移動式負壓激光焊接新方法，該方法為厚板大型構(gòu)件的焊接制造提供了一

2、條新途徑。
　　“低真空室”（又稱“負壓腔”）的構(gòu)建是實現(xiàn)負壓激光焊接的關(guān)鍵，該腔內(nèi)的環(huán)境壓力低于大氣壓力，將焊接部位置于該腔體內(nèi)以實現(xiàn)焊接過程的局部負壓環(huán)境?；诖搜b置，論文開展了負壓環(huán)境下激光焊接過程中金屬蒸氣羽煙、熔池及小孔的動態(tài)行為的研究，進一步探討了蒸氣羽煙、熔池、小孔與激光能量之間的相互作用機制，從而揭示負壓環(huán)境下的激光焊縫成形過程及缺陷抑制機理，為推動高功率激光在大型構(gòu)件厚板焊接中的應用提供了理論和實驗依據(jù)。

3、　　首先，基于構(gòu)建的全封閉負壓腔光纖激光焊接實驗平臺，系統(tǒng)開展了不同負壓環(huán)境下的激光焊接試驗研究。其次，研究了不同負壓環(huán)境下金屬蒸氣羽煙的動態(tài)變化特征，并基于光譜診斷分析了負壓下激光焊接蒸氣羽煙的頻譜變化規(guī)律，進而分析了蒸氣羽煙溫度與環(huán)境壓力的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。研究了不同負壓環(huán)境下蒸氣羽煙對光纖激光能量的衰減特性及規(guī)律。進一步開展了不同環(huán)境壓力下的焊接熔池及其小孔動態(tài)行為研究，分析了負壓對焊接過程飛濺和氣孔缺陷的抑制機理。最后，基于對全封閉負壓

4、腔激光焊接過程的研究結(jié)果，探討了移動式局部負壓環(huán)境下激光焊接過程中焊縫成形與蒸氣羽煙及熔池動態(tài)行為的關(guān)系。全文的主要結(jié)論如下：
　　1.環(huán)境壓力對焊接熔深及截面形貌的影響存在著臨界壓力值，約為20 kPa：當環(huán)境壓力在101~20 kPa內(nèi)，熔深隨環(huán)境壓力降低而小幅增加，焊縫截面形貌主要特征為“Y”型；當環(huán)境壓力降低至20 kPa以下時，熔深開始大幅增加，且壓力越低，熔深增加的幅度越大，在3 kPa時的熔深約為常壓時的2倍，焊縫截

5、面形貌主要特征為“I”型。
　　2.建立了負壓環(huán)境下低合金高強鋼厚板高功率激光焊接熔深與環(huán)境壓力、激光功率、焊接速度的回歸模型：此處為公式，方差分析擬合度為98.9％。該結(jié)果表明，焊接熔深隨環(huán)境壓力和焊接速度的減小而增大，隨激光功率的增加而增加。當激光功率和焊接速度不變的情況下，焊接熔深與環(huán)境壓力呈指數(shù)關(guān)系。
　　3.發(fā)現(xiàn)了負壓環(huán)境對金屬蒸氣羽煙的抑制規(guī)律，即最外側(cè)擴散型羽煙、中部壓縮羽煙及小孔附近駐留型羽煙被抑制的環(huán)境壓力

6、分別為101~80 kPa、80~20 kPa和20~3 kPa。常壓下光纖激光能量的衰減率約為11%，當環(huán)境壓力降至3 kPa時，金屬蒸氣羽煙對光纖激光能量的衰減率約為1%，駐留型金屬蒸氣羽煙為金屬蒸氣羽煙影響激光能量傳遞的主要部分。得出了金屬蒸氣羽煙對激光能量衰減率計算公式，此處為公式
　　4.發(fā)現(xiàn)了負壓環(huán)境下蒸氣羽煙動態(tài)變化特征與熔池及小孔行為的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。隨著環(huán)境壓力的降低，金屬蒸氣羽煙擺動幅度較常壓下減小，低于10 kPa

7、時趨于穩(wěn)定，此時熔池表面波動降低，小孔穩(wěn)定性增加，焊接質(zhì)量明顯提高。負壓下小孔后壁的波動被抑制，焊接過程飛濺減少。同時負壓加快了熔池內(nèi)氣泡逸出速度，縮短了其逸出路徑，改變了其逸出位置，使焊縫氣孔缺陷減少。
　　5.基于氣體流體動力學原理對局部負壓腔的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，分析了負壓腔尺寸和抽氣孔位置對腔內(nèi)壓力分布和氣流狀態(tài)的影響。相比全封閉負壓裝置，采用局部負壓裝置獲得了具有更高熔深的連續(xù)無缺陷激光焊縫。局部負壓下的抽吸氣流對駐留型金屬