光纤激光焊接中厚板的底部驼峰形成机理的研究

摘要

近年来，随着高功率、高光束质量光纤激光器的出现和发展，使激光深熔焊接技术在中厚板焊接制造领域中得到更进一步的研究。高功率光纤激光焊接中厚板过程中，激光功率密度可达106~108 W/cm2，导致其熔池在其动态过程中受力不平衡而极不稳定，容易形成飞溅、表面塌陷及底部驼峰等各种焊接缺陷，从而影响焊缝的各项性能。
　　基于以上情况，为了能够实现高质高效的激光焊接中厚板，本文针对高功率光纤激光焊接厚度为5 mm的SUS304不锈钢钢板的过程中出现底部驼峰的问题，研究小孔及熔池的动态变化过程，分析孔外金属蒸汽/等离子体的变化与底部驼峰的关系，对底部驼峰产生的机理进行试验研究。
　　(1)阐述高功率激光焊接以及底部驼峰的研究现状，搭建基于高速相机拍摄的高功率光纤激光焊接实验平台。
　　(2)基于改进的“三明治”新方法，采用高速相机从侧面直接观测到底部驼峰形成时整个焊接熔池下掉导致焊缝上表面塌陷，结果表明孔内金属蒸汽压力以及前沿孔壁液体凸起的向下动量克服小孔底部熔池表面张力的作用，导致熔融金属被推出内部熔池，继而向后流入驼峰。
　　(3)使用高速相机从不同角度直接拍摄小孔开口、熔池及孔外金属蒸汽/等离子体动态流动过程，研究结果表明：表面张力作用是导致第一个底部驼峰产生及长大的重要原因；孔内熔融金属流动不连续，前沿孔壁凸起向下移动以及金属蒸发反冲压力，导致小孔底部熔池形成多个具有轮廓的熔滴，熔滴在表面张力以及熔池内部流动特征的作用下不断向后流动汇聚凝固形成底部驼峰。
　　(4)在上下表面保护气体为 Ar，维持流量及其吹气角度不变的情况下，采用改变单一变量的试验方法研究了激光功率，焊接速度，离焦量，下表面保护气体流量和焊接方位的变化对底部驼峰倾向的影响。结果表明合理的工艺措施，可有效地抑制底部驼峰的产生，改善焊缝质量。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 激光焊接技术概述

1.3 高功率激光焊接国内外研究现状

1.4 本文研究内容和目标

第2章 试验条件与方案

2.1 试验材料与设备

2.2 试验方案与试验参数设计

2.3 本章小结

第3章 高功率光纤激光焊接中厚板过程中底部驼峰产生的原因分析

3.1 底部驼峰产生时小孔及熔池动态行为直观观测

3.2 底部驼峰产生时底部熔池的流动动态行为直观观测

3.3 底部驼峰产生时小孔开口和金属蒸汽/等离子体动态行为直观

3.4 本章小结

第4章 光纤激光焊接工艺参数对底部驼峰倾向的影响及优化结果分析

4.1 底部驼峰倾向的定义及其实验数据的处理方法

4.2焊接工艺参数的变化对底部驼峰倾向的影响

4.3试验结果分析

4.4本章小结

结论

参考文献

致谢

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