萬(wàn)瓦級(jí)激光深熔焊接中金屬蒸氣與熔池耦合行為研究.pdf

1、隨著萬(wàn)瓦級(jí)激光器的出現(xiàn)，高功率激光焊接厚板的技術(shù)在各種大型裝備結(jié)構(gòu)件的制造中得到推廣應(yīng)用。然而，萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接厚板的過(guò)程中易產(chǎn)生飛濺、塌陷、駝峰、氣孔等焊接缺陷。相比千瓦級(jí)激光焊接，萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接時(shí)，由于激光功率密度高、能量輸入多，可產(chǎn)生更多的金屬蒸氣和更細(xì)長(zhǎng)的小孔，小孔內(nèi)氣壓和熔池流動(dòng)波動(dòng)大，金屬蒸氣和熔池具有更復(fù)雜多變的形態(tài)，其中機(jī)理有待深入研究和揭示?；诖耍疚膶?duì)萬(wàn)瓦級(jí)高功率激光深熔焊接中金屬蒸氣與熔池的相互耦合行為及其與焊接過(guò)

2、程穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)激光與材料相互作用的物理過(guò)程以及其中的變化規(guī)律進(jìn)行了深入探討，揭示了焊接過(guò)程中不穩(wěn)定現(xiàn)象的變化規(guī)律和影響焊接過(guò)程的重要因素，為控制并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過(guò)程和良好的焊接質(zhì)量提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
　　首先，論文設(shè)計(jì)了激光束傾斜照射在材料表面的試驗(yàn)，對(duì)高功率激光作用在材料表面上形成的熔池特征、蒸氣特征進(jìn)行了觀察，對(duì)激光的多次反射吸收進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，激光照射下材料熔化形成的熔池表面上易產(chǎn)生熔液層的

3、波動(dòng)“漣漪”。隨著激光功率密度的增加，“漣漪”產(chǎn)生的頻率和移動(dòng)速度增加。熔池表面上的“漣漪”引起的微小形變可導(dǎo)致反射激光能量的大幅變化，導(dǎo)致局部材料表面吸收的激光能量不一致。多次反射吸收試驗(yàn)結(jié)果顯示，大量激光能量的吸收主要出現(xiàn)在激光直接照射階段。此外，論文設(shè)計(jì)了試驗(yàn)，對(duì)激光深熔焊接時(shí)噴出的金屬蒸氣流的推力進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，噴出的蒸氣流可使下落金屬球獲得一速度增量，但此增量值小于由小孔內(nèi)飛出的飛濺速度。分析得出，孔內(nèi)蒸氣對(duì)金屬熔液的加

4、速作用比孔外蒸氣流的推力作用更大。
　　隨后，論文采用改進(jìn)的“三明治”方法，將不銹鋼金屬材料與 GG17玻璃組合夾緊，制成異種材料對(duì)接接頭形式的焊接試件，進(jìn)行萬(wàn)瓦級(jí)激光深熔焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)深熔小孔內(nèi)等離子體特征進(jìn)行了觀察和研究，利用采集的光譜信號(hào)計(jì)算了等離子體電子溫度、電子密度、電離度和壓力。結(jié)果顯示，萬(wàn)瓦級(jí)短波長(zhǎng)激光作用產(chǎn)生的等離子體的量較少。短波長(zhǎng)光纖激光產(chǎn)生的等離子體譜線數(shù)量少于長(zhǎng)波長(zhǎng)CO2激光致等離子體的譜線數(shù)量。相對(duì)孔外

5、等離子體，孔內(nèi)等離子體的譜線數(shù)量較多，其電離程度相對(duì)較高。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)計(jì)算得到的孔內(nèi)外等離子體電子溫度為4400-6000 K；電子密度為2-16×1016 cm-3；等離子體的電離度非常低，小于1％；等離子體的瞬態(tài)壓力為5-943×105 Pa。大幅變化的等離子體瞬態(tài)壓力可導(dǎo)致小孔內(nèi)氣流波動(dòng)。對(duì)等離子體物理參數(shù)進(jìn)一步分析得出，本試驗(yàn)中激光焊接時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸氣具有較高的密度和雷諾數(shù)，蒸氣流可出現(xiàn)紊流特征，且可對(duì)熔池壁產(chǎn)生沖擊作用。<

6、br>　　接著，論文基于改進(jìn)的“三明治”方法，對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光深熔焊接的小孔形態(tài)、氣流與熔池孔壁特征進(jìn)行了觀察研究，對(duì)比不同焊接條件下的小孔形態(tài)變化，對(duì)蒸氣流與熔池孔壁間的相互耦合作用進(jìn)行了深入分析。結(jié)果得出，觀察到的深熔小孔前沿孔壁上的凸起，可改變照射在孔壁上的激光能量的分布，導(dǎo)致孔內(nèi)蒸氣流波動(dòng)。深熔小孔的后沿孔壁上易出現(xiàn)形變而產(chǎn)生“蒸氣波”。對(duì)“蒸氣波”進(jìn)一步分析得出，引起后沿孔壁形變的主導(dǎo)作用力是蒸氣壓力，熔池壓力起到輔助作用。熔透激

7、光焊接時(shí)，金屬蒸氣的流向決定著孔壁熔液和蒸氣波的流向。當(dāng)后沿孔壁上形成的蒸氣波向上移動(dòng)到達(dá)小孔出口時(shí)，熔池出現(xiàn)隆起、形成液柱和飛濺，小孔開(kāi)口尺寸變小，金屬蒸氣噴出的角度發(fā)生變化。離焦量變化時(shí)，孔內(nèi)激光能量分布隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致孔壁波動(dòng)狀態(tài)變化。總結(jié)得出，激光能量分布與孔壁波動(dòng)和蒸氣波動(dòng)關(guān)系密切，影響著熔池孔壁及小孔狀態(tài)。
　　最后，在萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接試驗(yàn)中，采用高速相機(jī)拍攝觀察了表面熔池的流動(dòng)狀態(tài)，并借助X射線成像設(shè)備觀察了內(nèi)部熔池

8、的流動(dòng)狀態(tài)，研究了焊接參數(shù)與熔池流動(dòng)狀態(tài)和焊縫成形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了影響熔池流動(dòng)的因素。結(jié)果顯示，金屬熔液在表面聚集可形成釘頭焊縫，金屬熔液在焊縫內(nèi)部聚集可使得焊縫內(nèi)部某處尺寸增加。激光功率的增加和焊接速度的減小，可使得孔內(nèi)材料氣化加劇、由孔內(nèi)流出的金屬熔液增多。離焦量的變化可改變表面熔池和內(nèi)部熔池的流動(dòng)狀態(tài)。正離焦、0離焦和負(fù)離焦分別對(duì)應(yīng)三種不同熔池流動(dòng)狀態(tài)。分析得出，離焦量變化改變了小孔內(nèi)激光能量密度分布，改變了孔內(nèi)金屬蒸氣流動(dòng)狀態(tài)