双焦点光纤激光焊接特性及熔池行为研究

摘要

激光焊接技术与其他熔焊技术相比，在焊接精度、效率等方面具有明显的优势，已在汽车、航空航天等工业领域得到广泛应用。但在实际应用过程中发现，常规单焦点激光焊接仍然存在一定的局限性：一是激光光斑尺寸小、能量密度大，在激光深熔焊过程中易发生匙孔塌陷以及熔池剧烈波动的现象，影响焊缝质量；二是焊前对工件的装配精度要求高，焊接适应性较差。研究发现采用双焦点激光焊接方法可以有效解决上述问题，但目前关于双焦点激光焊接特性的研究不系统，相应的焊接机制至今仍不明确，不能有效指导双焦点激光焊接工艺的应用。针对上述问题，本文首先计算分析了双焦点光纤激光热源的能量密度分布（能场）特征，基于视觉传感方法系统研究了双焦点多种组合能场模式下的熔池表面动态特征及其对焊缝成形的影响，并结合有限元模拟方法对熔池内部匙孔与熔体流动行为进行了同步计算与分析，以此阐明双焦点焊接过程复杂能场对熔池行为的影响机制；进一步，分别针对激光填丝焊、非常规的十字交叉型接头开展双焦点激光熔丝特性、焊缝成形控制的研究，提出两种工况下最优的能场方案，并获得优质焊缝。
　　本研究主要内容包括：⑴对不同能量比、间距条件下双焦点的能量密度分布特征进行测试与计算，并确定不锈钢材料激光深熔焊匙孔建立的临界功率密度；通过对不同双焦点能场作用下熔池表面物理特征及其焊缝成形的研究，建立了“能场特征—熔池行为—焊缝成形”三者之间的内在联系。试验结果发现，增大双焦点的光斑间距、双焦点能量密度相等及并行排布均会一定程度降低焊缝的熔化效率；当熔池中两匙孔串行排布时会在熔池宽度方向形成强流场，双焦点能场特征变化会改变熔池中匙孔数量、位置，导致该强流场作用方向和强弱的变化，从而影响最终的焊缝成形，即随光斑间距增大，焊缝熔深和熔宽均减小；随能量比增大，熔深先减小后增大，熔宽先增大后减小，在能量比为50/50时获得最小的熔深和最大的熔宽；并行排布熔深小于串行排布，熔宽则与焊接速度有关。⑵建立了双焦点激光焊接三维瞬态热流耦合模型，并分析了熔池流动行为对焊缝成形和合金元素分布的影响。研究结果表明，当双焦点形成一个大尺寸匙孔时，纵截面上匙孔后部的回流漩涡消失，从而减小了对匙孔的冲击提高了匙孔稳定性；双匙孔串行排布时，金属蒸气反冲力的作用会导致匙孔中间熔体以较大流速向上流动，并增大了熔池表面宽度方向的流速，因此熔池宽度增大；增大光斑间距或双焦点能量密度不相等时会增大金属蒸气反冲力作用范围、改变金属蒸气反冲力作用方向，导致熔池宽度方向的流速降低，熔池宽度也相应减小；双匙孔并行排布时，整个熔池流动方向一致，因此熔池稳定性得到提高。双匙孔串行排布时熔体在横截面内形成具有较大流速的回流，更有利于合金元素在熔池内部扩散的均匀性。⑶开展了双焦点能场对熔丝行为改善作用的研究，获得优化的熔丝能场设计，发现采用并行排布双焦点激光焊接可以显著改善熔丝稳定性：常用的液桥过渡模式下，相比常规激光填丝焊，并行排布双焦点可进一步改善焊缝成形；常规激光填丝焊无法应用的熔滴过渡模式下，并行排布双焦点实现了焊丝的稳定熔化与过渡，显著提高了焊接稳定性。⑷针对非常规的十字交叉型接头接合面难以熔合的难题，有效利用双焦点焊接能场设计的灵活性，采用双匙孔串行排布的焊接方案成功实现了双焦点激光焊接技术在非常规的十字交叉型接头上的应用，获得了成形良好、力学性能满足使用要求的焊接接头，验证了双焦点激光焊接技术在工业应用中的可行性与先进性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 双焦点激光焊接特性研究现状

1.3 激光填丝焊技术研究现状

1.4 激光焊接熔池流动行为研究现状

1.5 本课题主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备与试验方法

2.3 金属试样制备与观察

2.4 能量密度测试

第3章 双焦点激光焊接的能场作用特性

3.1 引言

3.2 双焦点激光能场特征分析

3.3 双焦点能场对熔池行为与焊缝成形的影响

3.4 本章小结

第4章 双焦点激光深熔焊的熔池流动行为

4.1 引言

4.2 热流耦合模型建立

4.3 模型试验验证

4.4 不同匙孔状态下的熔池流动行为

4.5 本章小结

第5章 双焦点激光能场对焊丝熔化过渡行为的影响

5.1 引言

5.2 焊丝过渡模式

5.3 液桥过渡模式下焊接特性

5.4 熔滴过渡模式下焊接特性

5.5 双焦点激光填丝焊适应性

5.6 本章小结

第6章 十字交叉型接头双焦点激光焊接特性

6.1 引言

6.2 十字交叉型接头双焦点激光焊接能场设计

6.3 十字交叉型接头双焦点激光焊缝成形及性能

6.4 本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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