等离子体在大功率激光深熔焊中的作用及其影响因素的分析

大功率激光深熔焊以其优良的特性在制造行业中占有一席之地.本文利用微距高速摄影手段,对国产船用高强钢板激光深熔焊中的等离子体的作用进行实验研究,分析了保护气体流量、焊接速度、线能量对于等离子体面积和高度的影响,并综合分析了等离子体、线能量和焊接速度对焊缝熔深和熔宽的影响,总结了一些等离子体在焊接过程中的作用规律.     

激光焊接时焊接模式转变规律及焊接过程稳定性的研究

在大功率激光焊接时．除了通常认为的稳定深熔焊和稳定热导焊外，作者发现在一定条件下还会出现第三种焊接过程──模式不稳定激光焊接，其基本特征是深熔焊和热导焊两种模式随机出现，熔深和熔宽相应地在大小两级跳变．综合研究了焦点位置、激光功率和焊接速度对激光焊接模式及焊缝成型的影响，得到了反映上述三种焊接过程的工艺参数范围的双Ｕ型激光焊接模式转变曲线。     

真空激光焊接焊缝成形及等离子体特征

为减小等离子体对激光焊接过程的干扰,扩宽大功率激光焊接的应用范围,对真空条件下激光焊接的焊缝成形和等离子体特征进行了研究。结果表明,真空激光焊接可以改善激光焊接表面成形,增加熔深。在焊接速度为0.5 m/min时,真空环境下焊缝熔深大约是大气环境下焊缝熔深的3倍。对比不同焊接速度下环境气压对熔深的影响规律发现,在焊接速度较小时,环境气压对于激光焊接的熔深影响更加明显。在真空条件下,较大的负离焦可以显著增加熔深,改善焊缝成形。等离子体图像观测结果表明,随着环境气压降低,等离子体逐渐减弱。真空环境对激光焊接等离子体强烈的抑制效应是真空激光焊接熔深增加,焊缝成形改变的一个原因。     

激光深熔焊等离子体的高速摄像实验研究

采用高速摄像方法,观测了低碳钢激光深熔焊过程中的等离子体形态;就激光焦点位置对等离子体的影响进行了实验研究.得到不同焊接模式下的等离子体的形态,从而验证了等离子体光信号随焦点位置改变而呈U型曲线变化的规律.     

激光-电弧复合焊接工艺参数对焊缝形貌及焊接稳定性的影响

以150 mm×30 mm×8 mm的高强钢板为试验材料,采用YAG激光-熔化极活性气体保护焊(MAG)电弧复合焊接方法,研究了各参数(主要包括激光功率P、光丝间距DLA、电流I、电压U等)对焊接熔深、熔滴的过渡特征和焊缝的截面形貌的影响。结果表明:在改变焊接熔深时, 激光功率起到主导的作用, 同时激光与电弧间存在最佳的能量匹配值, 当激光功率约为电弧功率的2/3时, 焊接熔深的增加最为显著; 激光功率P与光丝间距DLA对熔滴过渡的受力有很大的影响, 从而决定了熔滴的尺寸大小与过渡频率, 而电弧能量对熔滴的过渡模式起主导作用; 在焊缝截面形貌中, 激光功率P主要影响熔深及熔深面积, 电弧能量主要影响焊缝宽度及余高面积, 且各参数的改变, 余高的变化量均很小, 而热影响区(HAZ)宽度及面积与总的热输入量成正比, 热输入量越大热影响区(HAZ)越大。     

Nd:YAG激光焊接殷钢材料的工艺研究

利用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源,对殷钢材料Invar36进行了对焊实验,分析了工艺参数(激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量)变化对焊缝的表面形貌、熔宽以及熔透性的影响.对2 mm厚度的殷钢对焊接头的硬度变化进行了检测,同时对比分析了焊缝和基体的金相组织.结果表明,激光功率和脉宽是影响焊缝熔深、熔宽和热影响区大小的主要因素,激光焊接速度的选择范围相对较小,离焦量主要影响焊缝的宽度和熔透性,焊缝的组织成分没有发生明显变化,显微硬度略低于基体,焊缝处的金相组织为奥氏体柱状晶,并且呈现奥氏体晶粒粗化现象.     

铝合金CO2激光深熔焊接过程中等离子体的热力学行为研究

结合光学多通道分析仪和高速摄像仪的观测结果,对6061铝合金CO2激光深熔焊接过程中等离子体的热力学行为进行了研究。分析了稳定的激光焊接过程初始阶段和焊接过程中及焊接过程不稳定时的等离子体热力学行为。实验结果表明,激光深熔焊接在初始阶段,等离子体的电子温度和离子温度偏离较大,并逐渐趋于平衡,温度梯度也逐渐变小;在稳定的焊接过程中激光功率的增加对等离子体的温度影响较小,等离子体尺寸变化对焊缝截面有重要的影响;等离子体温度急剧增加时,小孔内气压的剧增会引起等离子体上下起伏,使焊接过程中断或产生气体,而等离子体尺寸大小的波动则会影响焊缝成形。     

激光深熔焊等离子体电信号振荡特征与焊缝熔深的特征关系

针对激光深熔焊接过程的监控问题,基于小孔内部压力平衡条件分析了小孔振荡和小孔深度的关系。在此基础上基于小孔行为与等离子体行为的耦合性,以及等离子体振荡特征与等离子体电信号波动特征的一致性,利用短时自相关分析方法分析了A304不锈钢和Q235碳钢在激光深熔焊接过程中等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系。结果表明,等离子体电信号振荡周期随焊缝熔深的增加而增大,并且不同焊接材料的等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系不同。最后,在可变热输入连续焊接验证实验中,在焊接过程稳定的条件下,等离子体电信号的短时自相关分析结果与焊缝熔深之间有比较好的对应关系,与所分析的小孔振荡特征方程具有一致性。     

热源顺序对HG785D高强钢激光-电弧复合焊耦合机理与接头性能的影响

采用激光-电弧复合焊的方法焊接了HG785D高强钢,研究了不同热源顺序下激光功率和送丝速度对焊接过程的影响。观察了复合焊过程中等离子体的动态变化,并获取了不同热源顺序下等离子体的电子温度和电子密度,揭示了焊接过程热源耦合机理。结果表明,随着激光功率的增大,焊缝熔深先减小后增大;随着送丝速度的增大,焊缝熔深逐渐减小。相较于电弧先导,激光先导等离子体的体积较大且电子温度较高,焊缝熔深较大,同时接头的抗拉强度较大,但塑性较弱,且接头各区域的显微硬度较大。     

万瓦级激光-电弧复合焊接焊缝成形特性分析

为探究万瓦级激光-MAG复合焊接焊缝成形特性，在不同的激光功率下，对比分析了三种不同复合焊接方法在焊缝成形、等离子体形态方面的差异性及关联性。结果表明：随着激光功率变化，焊缝的特征尺寸及波动与等离子体的特征尺寸及波动具有一定的对应关系，具体表现为：随着激光功率增加，等离子体面积及其波动都增加，焊缝熔深、熔宽及其波动均增加；当激光功率增加到20 kW时，等离子体面积及其波动的增量开始减小，焊缝尺寸的增量也开始减小，焊缝成形质量开始变差。激光-单丝MAG复合焊接方法在20、25、30 kW激光功率下的平均熔深增量相比5、10、15 kW下的减小了71.64%。在相同的工艺参数下，与激光-单丝MAG复合焊接相比，激光-单丝MAG复合填丝焊接下的等离子体面积及其标准差显著增加，熔深减小，成形变差，而激光-双丝MAG复合焊接下的等离子形态、焊缝成形变化均不明显。随着激光功率增加，不同的添丝方式体现在焊缝成形及等离子体形态等方面的差异性逐渐增强，当激光功率增加到20 kW时，焊缝熔深以及影响熔深的等离子体面积及其波动的增量有所减小。     

CO2激光-MIG复合对接焊熔透工艺

在有坡口间隙对接焊时，焊缝根部成形状态是衡量复合焊搭桥质量及其适应能力的重要指标。因此研究了CO2激光惰性气体金属弧焊(MIG)复合焊接3 mm厚不锈钢板时激光功率、电弧电流、激光-电弧距离、焊接速度、坡口间隙等工艺参数对根部熔宽的影响，并通过CCD摄像机对焊接过程中的等离子体进行了观察。研究表明，随着焊接参数的变化，CO2激光-MIG复合焊存在四种熔透状态，对某一间隙范围，选择合适的激光功率、电弧电流、激光电弧距离与焊接速度可以获得“适度熔透”的良好根部成形。激光功率、电弧电流过小，速度过大则会产生“未熔透”或“不稳定熔透”，反之则“过熔透”。间隙较大时，激光功率对熔透的影响较小。另外还研究了不同激光电弧距离对等离子体形态及其对熔透的影响。     

Nd∶YAG激光焊接殷钢材料的工艺研究

利用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源,对殷钢材料Invar36进行了对焊实验,分析了工艺参数(激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量)变化对焊缝的表面形貌、熔宽以及熔透性的影响。对2 mm厚度的殷钢对焊接头的硬度变化进行了检测,同时对比分析了焊缝和基体的金相组织。结果表明,激光功率和脉宽是影响焊缝熔深、熔宽和热影响区大小的主要因素,激光焊接速度的选择范围相对较小,离焦量主要影响焊缝的宽度和熔透性,焊缝的组织成分没有发生明显变化,显微硬度略低于基体,焊缝处的金相组织为奥氏体柱状晶,并且呈现奥氏体晶粒粗化现象。     

脉冲激光焊接钛合金薄板的熔池深度预测

激光焊接过程产生的焊斑熔深直接影响焊接质量。激光焊接过程复杂,影响因素众多,许多参数难以量化。以TC4钛合金薄板为实验样品进行脉冲激光焊接实验。通过声波频谱减法对采样的声频信号进行降噪处理,并分析了声频信号的时域和频域特征,找到了声频信号和焊斑熔深的关系。采用径向基函数神经网络对钛合金薄板焊接过程的焊斑熔深进行预测。神经网络以声压强偏差、频带功率、激光功率和焊接速度作为输入。实验证明,在不同激光功率下该方法可准确预测焊斑熔深。     

激光深熔焊焊缝的熔透性监测研究

随着激光焊接在国防工业中的应用越来越广泛，焊接质量的监测和控制逐步成为一项重要的研究内容，而焊缝的熔透性控制是其中最重要的参数之一，特别对于一些密封件而言。通过对伴随激光深熔焊接所存在的光致等离子体的蓝紫光信号相对强度的监测，以判断焊缝的熔透性。利用信号监测系统，在焊接时采集光致等离子体蓝紫光的强度作为原始分析信号，通过对数据的分析和处理，以及大量的实验结果与数据分析结果的对比，寻求信号与焊缝熔透性的关系。研究结果表明，焊缝的熔透性与光致等离子体光信号的累积强度有对应关系，当焊缝全部熔透时，光信号稳定性非常好，而一旦焊缝处于未熔透或熔透性差时，光信号会产生极大的波动。     

激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究

分析了激光深熔焊接的小孔机制的数学模型。研究了焊接熔池的稳定性与金属蒸气压的关系及金属蒸气压与等离子体的关系。着重研究了激光焊接工艺参数(包括激光模式、功率、聚焦条件、焊接速度和辅助吹气)对焊接熔池行为的影响,最后,还研究了熔池行为与焊缝组织结构和缺陷(如气孔、裂纹等)的关系。     

激光与脉冲MIG复合焊接试验研究

本文研究了YAG激光-脉冲MIG电弧复合焊接铝合金的新工艺,设计制造了复合焊接几头,探讨了各种规范参数对焊缝成型的影响规律及激光与电弧的复合作用。结果表明,在比较宽的参数范围内YAG激光-脉冲MIG复合焊接铝合金焊缝成型美观,无气孔等缺陷,熔深与激光单独焊比增加4倍,与脉冲MIG焊接比增加1倍以上,焊速显著提高,是一种理想的焊接工艺。     

高功率光纤激光非熔透焊接5A06铝合金

为了解决高功率光纤激光非熔透焊接5A06铝合金过程中,焊接熔深的控制、合金元素的烧损、焊缝表面质量的改善等方面难以兼顾的问题,采用固定激光功率和正面焊接保护气的方法,通过改变单一焊接参量,研究了焊接速率、离焦量、搭接板间间隙的变化对焊缝表面质量的影响,并对焊缝内部镁元素的分布规律进行了理论分析和实验验证。结果表明,焊缝的硬度与镁元素的分布相一致;由于熔合线附近晶粒细化和母材镁元素扩散的共同作用,使熔合线附近的硬度高于其它部位;优化参量后的非熔透激光焊接头强度大于电弧铆焊接头,间隙为0.2mm的时候,激光焊接头强度最大,为母材抗拉强度的68.1%。这一结果对指导工业中的铝合金非熔透激光焊接是有帮助的。     

激光深熔焊熔池及小孔的检测

激光深熔焊熔池-小孔包含丰富的反映熔深的信息.本文建立了基于视觉的熔池-小孔同轴检测系统,拍摄了不同焊接速度下熔池-小孔的清晰的图像,分析了熔池宽度、小孔直径随焊接速度的变化规律研究发现,小孔直径随焊接速度的增大先增加后减小,熔池宽度随焊接速度的增大而减小.     

高功率光纤激光焊接铝合金焊缝成形特征研究

为了探究铝合金高功率光纤激光焊接焊缝成形特征与规律,采用高斯光束与平顶光束对3mm厚5052铝合金进行激光对焊,对比分析了不同光束模式下的焊缝成形特征与激光功率、扫描速率对焊缝成形的影响。结果表明,平顶光束焊接主要为热导模式,熔池呈U型,易产生气孔、裂纹等缺陷; 高斯光束焊接有4种模式,随着激光功率和扫描速率的变化,4种模式相互转化,深熔焊模式下,熔池形貌呈“丁字”型; 扫描速率为20mm/s时,高斯光束有效深熔焊的下、上临界功率密度分别为8.8×105W/cm2和9.2×105W/cm2; 激光功率为2.7kW时,高斯光束有效深熔焊的下、上线能量分别为77J/mm和90J/mm; 在满足深熔焊所需功率密度条件下,线能量可作为激光深熔焊接的一个判据,线能量和功率密度对焊接模式与熔池形貌共同起决定性作用。