薄板激光深熔焊接熔透模式的機(jī)理研究.pdf

1、匙孔和熔池相互作用是激光深熔焊接中的核心問(wèn)題。本文通過(guò)分析Nd:YAG激光焊接過(guò)程中匙孔、熔池及等離子體的溫度、電子密度特征，建立了同軸視覺(jué)傳感系統(tǒng)，對(duì)焊接過(guò)程中熔池和匙孔區(qū)域的光輻射進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)。利用匙孔和熔池區(qū)域的光輻射特征，結(jié)合焊縫的特征對(duì)薄板激光深熔焊接的熔透模式進(jìn)行了深入的研究，系統(tǒng)地分析了不同熔透模式下匙孔、熔池和焊縫的特征隨工藝參數(shù)變化的規(guī)律，從理論上揭示了熔透模式轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制和對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。
　　本文將

2、焊接過(guò)程中匙孔和熔池的光輻射特征與焊縫的橫截面特征聯(lián)系起來(lái)，對(duì)全熔透激光焊接的熔透模式進(jìn)行了劃分。根據(jù)匙孔是否穿透工件的背面將激光深熔焊接分為匙孔穿透型和匙孔未穿透型兩種熔透模式。匙孔穿透型熔透時(shí)的焊縫典型的橫截面形狀為“X”型，而匙孔未穿透模式時(shí)的典型焊縫橫截面形狀為“V”型。通過(guò)分析匙孔內(nèi)部的受力平衡，對(duì)兩種熔透模式相互轉(zhuǎn)化時(shí)匙孔底部的力學(xué)平衡的變化進(jìn)行了探討；結(jié)合焊接工藝參數(shù)對(duì)匙孔存在和擴(kuò)展的影響規(guī)律，確定了工藝參數(shù)對(duì)熔透模式轉(zhuǎn)變

3、的影響，通過(guò)熔池的受熱狀態(tài)和流體驅(qū)動(dòng)力兩個(gè)方面對(duì)兩種熔透模式下焊縫的形成機(jī)制進(jìn)行了闡述。
　　對(duì)于試驗(yàn)獲得的同軸視覺(jué)傳感圖像，利用中值平滑濾波、同態(tài)濾波及線性灰度變換等圖像預(yù)處理方案對(duì)圖像進(jìn)行了除噪和增強(qiáng)處理，使用Canny算子實(shí)現(xiàn)了匙孔和熔池的邊緣檢測(cè)，并通過(guò)Hough變換最終獲得了匙孔和熔池的形狀特征。對(duì)匙孔、熔池和焊縫特征隨工藝參數(shù)變化的研究表明：相對(duì)于激光功率，焊接速度是影響匙孔和熔池角度的決定因素；熔合線下部與激光軸線的

4、夾角、焊縫背面寬度與正面寬度的比Rw可以作為判斷熔透模式的特征量。在熔透模式為匙孔未穿透型時(shí)，熔池下部與激光軸線的夾角為正，一旦實(shí)現(xiàn)了匙孔穿透，該角度即變?yōu)樨?fù)角度。工件厚度為1.4mm時(shí)，Rw大于0.55即可獲得穩(wěn)定的匙孔穿透型焊接模式。
　　采用從同軸視覺(jué)傳感圖像所獲得的熔池邊緣特征來(lái)進(jìn)行焊縫正面熔寬的檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果具有較高的吻合度；利用匙孔背面開(kāi)口的特征進(jìn)行焊縫背面熔寬的檢測(cè)，在匙孔背面開(kāi)口較小的時(shí)候，兩者近似呈

5、現(xiàn)線性關(guān)系，但隨著背面半徑的增加，焊縫背面的寬度漸漸趨向穩(wěn)定。
　　在工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮匙孔機(jī)制在激光深熔焊接中的作用，將由同軸視覺(jué)傳感系統(tǒng)獲得的匙孔特征引入到數(shù)值計(jì)算中，并在此基礎(chǔ)上建立了移動(dòng)熱源作用下的激光深熔焊接熔池傳熱傳質(zhì)的三維數(shù)學(xué)模型。研究了不同熔透模式下熔池內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，并對(duì)熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的作用進(jìn)行了量化的分析。模擬的結(jié)果表明，不同熔透模式下，由于匙孔形狀的差別使得熔池內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了較大的差