薄板激光深熔焊接熔透模式的机理研究

摘要

匙孔和熔池相互作用是激光深熔焊接中的核心问题。本文通过分析Nd:YAG激光焊接过程中匙孔、熔池及等离子体的温度、电子密度特征，建立了同轴视觉传感系统，对焊接过程中熔池和匙孔区域的光辐射进行了实时检测。利用匙孔和熔池区域的光辐射特征，结合焊缝的特征对薄板激光深熔焊接的熔透模式进行了深入的研究，系统地分析了不同熔透模式下匙孔、熔池和焊缝的特征随工艺参数变化的规律，从理论上揭示了熔透模式转变的物理机制和对焊缝成形的影响规律。
　　本文将焊接过程中匙孔和熔池的光辐射特征与焊缝的横截面特征联系起来，对全熔透激光焊接的熔透模式进行了划分。根据匙孔是否穿透工件的背面将激光深熔焊接分为匙孔穿透型和匙孔未穿透型两种熔透模式。匙孔穿透型熔透时的焊缝典型的横截面形状为“X”型，而匙孔未穿透模式时的典型焊缝横截面形状为“V”型。通过分析匙孔内部的受力平衡，对两种熔透模式相互转化时匙孔底部的力学平衡的变化进行了探讨；结合焊接工艺参数对匙孔存在和扩展的影响规律，确定了工艺参数对熔透模式转变的影响，通过熔池的受热状态和流体驱动力两个方面对两种熔透模式下焊缝的形成机制进行了阐述。
　　对于试验获得的同轴视觉传感图像，利用中值平滑滤波、同态滤波及线性灰度变换等图像预处理方案对图像进行了除噪和增强处理，使用Canny算子实现了匙孔和熔池的边缘检测，并通过Hough变换最终获得了匙孔和熔池的形状特征。对匙孔、熔池和焊缝特征随工艺参数变化的研究表明：相对于激光功率，焊接速度是影响匙孔和熔池角度的决定因素；熔合线下部与激光轴线的夹角、焊缝背面宽度与正面宽度的比Rw可以作为判断熔透模式的特征量。在熔透模式为匙孔未穿透型时，熔池下部与激光轴线的夹角为正，一旦实现了匙孔穿透，该角度即变为负角度。工件厚度为1.4mm时，Rw大于0.55即可获得稳定的匙孔穿透型焊接模式。
　　采用从同轴视觉传感图像所获得的熔池边缘特征来进行焊缝正面熔宽的检测，检测的结果与试验的结果具有较高的吻合度；利用匙孔背面开口的特征进行焊缝背面熔宽的检测，在匙孔背面开口较小的时候，两者近似呈现线性关系，但随着背面半径的增加，焊缝背面的宽度渐渐趋向稳定。
　　在工艺试验的基础上，通过考虑匙孔机制在激光深熔焊接中的作用，将由同轴视觉传感系统获得的匙孔特征引入到数值计算中，并在此基础上建立了移动热源作用下的激光深熔焊接熔池传热传质的三维数学模型。研究了不同熔透模式下熔池内部的温度场和速度场的分布，并对熔池流动驱动力的作用进行了量化的分析。模拟的结果表明，不同熔透模式下，由于匙孔形状的差别使得熔池内部的流体运动产生了较大的差别，从而是两种焊缝形状形成的内在原因；在熔池内部的驱动力中，浮力所引起的流体运动速度较慢，对熔池流动的影响很弱；蒸气摩擦力主要影响的是匙孔周围熔池的流动，促使熔池金属由匙孔壁向熔池的边缘流动；表面张力是熔池中流体流动的最主要的驱动力，在其作用下熔池表面的液态金属由熔池中心流向边缘，并在熔池后方边缘处形成涡流。匙孔穿透工件时，表面张力作用下的熔池形成束腰，是形成“X”型焊缝的主要原因。

目录

薄板激光深熔焊接熔透模式的机理研究

STUDY ON THE MECHANISM OFPENETRATION MODE FOR THINSHEET LASER DEEP PENETRATIONWELDING

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 激光焊接熔透模式研究现状

1.3 激光深熔焊接数值模拟的研究现状

1.4 激光焊接同轴视觉传感的研究现状

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 试验基础与方案设计

2.1 引言

2.2 视觉传感基础分析

2.3 试验方案设计

2.4 本章小结

第3章 基于同轴视觉传感的熔透模式分析

3.1 引言

3.2 激光深熔焊接熔透模式的分类

3.3 熔透模式转变的机理分析

3.4 工件厚度对熔透模式及焊缝形状的影响

3.5 匙孔不稳定穿透模式分析

3.6 本章小结

第4章 不同熔透模式下匙孔熔池及焊缝特征分析

4.1 引言

4.2 匙孔和熔池的识别及特征量提取

4.3 不同熔透模式下的匙孔特征分析

4.4 不同熔透模式下的熔池特征分析

4.5 不同熔透模式下的焊缝截面特征分析

4.6 基于匙孔和熔池特征的焊缝形状检测

4.7 本章小结

第5章 不同熔透模式下熔池传热传质的数值模拟

5.1 引言

5.2 移动热源下激光深熔焊接的三维数学模型

5.3 数值算法的实现

5.4 数值计算结果及分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历