熔池三维自由表面状态与TIG焊熔透的相关性研究

基于激光视觉测量原理,采用2台同规格的CCD摄像机实时同步采集了钨极惰性气体保护电弧焊熔池自由表面和背面熔宽动态变化视频图像,利用熔池自由表面三维恢复算法获得熔池三维自由表面形貌,并对不同熔透状态的熔池三维自由表面高度变化与同步采集的背面熔宽变化间的相关性进行了定性分析实验.通过建立理想熔池自由表面,入、反射激光束光学变换及成像屏数学模型,逆向仿真研究了不同熔透状态的熔池表面对反射激光点阵形态的影响规律.结果表明,基于激光视觉法获得的熔池三维自由表面动态变化与焊缝熔透之间具有相关性,当焊缝由未熔透过渡到熔透时,熔池表面由凸形逐渐变为凹形,且塌陷量随背面熔宽的增加而缓慢增大,反射激光点阵行曲率变小,激光点逐渐聚为一点.当过熔透时,背面熔宽增加,熔池表面塌陷量迅速增加,反射激光点阵行曲率反而变大,聚集的激光点阵纵向逐渐被拉开.熔池表面逆向建模仿真结果与实际测量结果基本一致,利用反射激光点阵的形态变化可以表征熔透变化.     

活性剂对激光焊熔池动态行为的作用机理研究

为阐明活性剂对铝合金激光焊熔池作用机理,建立了三维瞬态移动热源作用下的激光焊接熔池数学模型,研究表面张力梯度及激光吸收率对温度场以及流场的影响规律,揭示活性剂作用下激光焊熔深的增强机制。结果表明,在无活性剂时模拟得到的焊缝形貌与实际试验结果吻合。在低功率铝合金活性激光焊接中,活性剂的加入虽然可以改变表面张力梯度,但表面张力梯度的改变对熔深增加效果不明显。分析认为,活性剂的加入使铝合金对激光吸收率的提高才是熔深增加的主要原因。     

镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺研究

采用30 kW超高功率光纤激光器对总厚度20 mm的镍-不锈钢复合板开展激光深熔焊试验,分析了激光功率、焊接速度和离焦量对焊缝表面成形的影响。结果表明,在离焦量-8 mm,焊接速度2.1 m/min保持不变的情况下,随着激光功率的增加,焊缝均得以实现单面焊背面成形,但存在表面下塌、飞溅和咬边缺陷;当激光功率为26 kW时,在焊接过程稳定阶段（除起弧和收弧位置）获得了背面成形均匀、连续、根部熔透良好的焊缝;当激光功率为25 kW、离焦量为-8 mm时,焊接速度范围在1.8～2.4 m/min时,焊缝表面出现塌陷及底部驼峰缺陷;当焊接速度为2.4 m/min时,焊缝部分位置未焊透,且焊缝稳定性差;随着离焦量从-3 mm到-10 mm变化,焊缝均被熔透,但存在飞溅、咬边和表面下塌缺陷。本研究为后续进一步优化激光深熔焊工艺提供了试验依据。     

激光-MIG复合焊熔透状态评价方法

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.提出了以背面相对熔宽作为CO2激光-MIG复合焊熔透状态的定量评价指标,并以此为依据将熔透状态分为未熔透、适度熔透和过熔透,其中适度熔透是最佳的熔透状态.基于相对熔宽的评价指标,研究了工艺参数及坡口间隙变化对熔透状态的影响规律:通过调节激光功率、焊接电流或焊接速度增加热输入,都可使背面相对熔宽增大,从而改变熔透状态;随着坡口间隙的增大,熔透状态从未熔透过渡到适度熔透,再过渡到过熔透.     

工艺参数对汽车用镁合金激光焊接接头组织和性能的影响

采用激光焊对NZ30K镁合金进行焊接,研究了激光功率、焊接速度和热输入对镁合金激光焊接接头组织和性能的影响。结果表明,随着激光功率的增加,镁合金正面熔宽变化不大,背面熔宽增加。镁合金焊缝正面和背面熔宽随着焊接速度的增加而减小。随着焊接热输入量增加,镁合金焊接接头抗拉强度增加。焊缝熔透后,抗拉强度随热输入增加变化不大,最大抗拉强度达到母材强度的79.8%。     

CO2激光焊接工艺对AZ31B变形镁合金焊缝表面成形的影响

采用3 kW的CO2激光器焊接4 mm厚的AZ31B变形镁合金板材,研究了气体保护方式和焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响.试验结果表明,保护气流的方向和气流量对焊缝表面成形存在显著影响,当气流方向与焊接方向相反并与水平方向呈30°角、气流量为2 000 L/h时,焊缝的表面成形最为均匀平整.通过调整激光功率和焊接速度等工艺参数来改变焊接热输入,可以获得"未熔透"、"仅熔池透"、"适度熔透"和"过度熔透"等不同熔透状态和表面成形特点的焊缝,其中"适度熔透"状态的焊缝正、背面成形最均匀;在相同的焊接热输入条件下,强参数规范条件下获得的焊缝表面成形效果最佳.     

焊接电参数对GTAW熔透状态的影响

针对非熔化极气体保护焊(gas tungsten arc welding, GTAW)过程中因焊接参数波动、热传导条件变化难以实时检测和控制熔透的难题,考虑304不锈钢相变潜热随温度的变化,建立了焊接电参数与熔池相变潜热、背面熔宽间的动态变化数学模型,仿真研究了改变焊接电流、电弧电压对焊缝熔透状态的动态影响规律,预测了恒定电参数下点焊熔透状态发生改变的时间. 采集了同参数焊接过程中表征熔透状态变化的反射激光点阵视频图像,统计计算了实际熔透发生改变的时间. 结果表明,所建立的动态数学模型能够反映焊缝熔透状态随电参数的动态变化过程,且焊接电流对熔透状态的影响更显著;熔透变化预测时间与实测时间一致.     

2219-T87高强铝合金复合超高频脉冲方波VP-GTAW焊缝成形特征

采用平板堆焊工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究了复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊接(HPVP-GTAW)过程中超高频脉冲方波电流特征参数对焊缝熔透成形的影响.结果表明,在正极性有效电流保持基本一致(变化范围±5 A)条件下,与常规VP-GTAW电弧焊接相比,超高频脉冲方波电流的加入可提高2219-T87铝合金焊缝的熔透率,焊缝熔透率增加20%以上;脉冲电流频率对焊缝熔透率有明显影响;在一定范围内增加脉冲电流幅值,减小占空比,可显著提高焊缝熔透率,脉冲电流幅值100 A和占空比20%时,焊缝熔透率增加75%以上.     

基于激光视觉的铝合金TIG焊背面熔宽控制技术研究

TIG焊熔透控制技术是焊接领域研究的热点技术之一。文中采用激光视觉传感器,对铝合金TIG焊背面传感熔宽控制技术进行了试验研究,开发了基于PD的控制算法,实现了6 mm厚铝合金变散热梯形试板的焊接。试验结果表明:控制后的焊缝背面熔宽均匀一致,解决了熔透控制中热惯性等关键技术,为在工业生产中普及应用奠定了基础。     

铝合金电子束焊接熔透特征量的确定

基于视觉图像传感方法,通过设计的平板和斜板试验,对铝合金电子束焊接熔透特征量的提取进行了研究.结果表明,铝合金电子束焊接过程中熔深状态从未熔透向熔透转变时,特征区域宽(W)有相应的响应,特征区域后长(RL)无明显反应;经分析W作为熔透特征量,可用于监测焊接熔深状态的突变,为解决铝合金电子束焊接熔透控制提供了一种有效的途径.     

激光切割铝合金吸收率试验研究

目的提高高反射率材料铝合金对激光的吸收率。方法基于热平衡原理,搭建了一种激光吸收率测试试验台,并对1.2 mm厚2A12硬铝合金试样表面采用了无光漆、炭素墨汁、普通墨汁、石墨等4种不同的表面涂层处理方法,用CO_2脉冲激光发射器进行了定点照射测试,通过K型热电偶测得铝合金试样的温度变化,间接获得了其吸收率的大小。结果试验数据表明,在一定工艺参数下,随着激光功率或扫描时间的增加,所有试样的表面温度整体均呈上升趋势。在四种不同的表面处理方法中,无光漆处理后的铝合金试样吸收率最高,吸收率比原始表面提高了40%,并将这一结论用于工程实践加工,加工后的试样切割面光滑,刮渣尺寸小,表面质量高。结论该吸收率测试装置及表面处理方法,可成功地改善材料对激光的吸收率。     

用数值计算技术和试错法确定金属材料表面对激光的吸收率

提出了一种激光重熔条件下确定金属材料激光吸收率的方法,通过改变输出功率,控制试样表面状态,利用计算机数据采集系统对激光表面重溶的试样进行定点温度采集,按不同表面状态假定材料对激光的吸收率,采用经营验证的激光表面重熔数值模拟程序计算温度场并与实测结果对比,以试错法修正所假定的吸收率,确定了DL31合金表面对激光的吸收率,与文献中实验得到的吸收率值较为接近,用所吸收率值计算不同功率条件下试样定点温度的变化,与实测温度变化规律基本吻合。     

Effects of absorptivity,shielding gas speed,and contact media on sheet metal laser welding

Abstract

A three-dimensional quasi-steady state heat conduction model is developed for laser welding of sheet metals. The heat flux at the surface of the workpiece is considered to be due to a moving Gaussian laser beam. An analytical expression is obtained for the temperature distribution by solving the conduction problem using the Fourier integral transform technique. This expression is used to locate the melting temperature isotherm, and thereby determine the weld depth and width. Experimental and theoretical results for the weld depths and widths are illustrated for different welding parameters such as the laser power, absorptivity, welding speed, and shielding gas speed. The theory and experiment are found to agree reasonably well. The effects of absorptivity, shielding gas speed, and heat loss due to different contact media at the bottom surface of the workpiece are also investigated, and are found to be significant for thin metal laser welding.     

蓝光激光定向能量沉积纯铜零件的工艺及性能

金属高反材料对短波长激光拥有较高的吸收率,文中使用大功率蓝光激光器作为能量源在不锈钢基板上进行纯铜的沉积,将激光功率、扫描速度和送粉速率从5个水平形成不同的工艺参数组合进行全因子试验. 先从宏观尺寸分析了工艺参数对沉积层的影响,后从相对密度、组织结构和力学性能3个方面对多道多层工艺进行探究. 结果表明,单位送粉激光能量(laser energy per unit powder feed,LEPF)在2.592 ~ 6.048 kJ/g范围内可进行稳定的连续沉积,而当LEPF值大于6.050 kJ/g时,因用于沉积的激光能量过多而导致气孔出现. 使用LEPF值为4.53 kJ/g打印出了表面质量较好的纯铜薄壁圆筒零件. 通过正交扫描得到最高相对密度为99.10%的纯铜块状样件,并观察到了两种孔隙:近球形的气体包封孔隙(I型)以及未熔合和未熔化的粉末孔隙(II型). 最后进行拉伸测试,从结果发现,远离基板成形位置抗拉强度为196.55 MPa,靠近基板成形位置的断后伸长率为26.72%.     

GMAW电弧对激光传输影响的综合分析

针对Nd:YAG激光穿过GMAW电弧后,激光光斑会变小的现象,分别从GMAW电弧对Nd:YAG激光的吸收和折射两个角度进行了分析.结果表明,假设Nd:YAG激光状态改变全部由于GMAW电弧吸收现象造成时,脉冲GMAW电弧的吸收率为0.7%,短路GMAW电弧的吸收率为2.0%;假设Nd:YAG激光状态改变全部由于GMAW...     

利用飞秒激光对钛金属表面黑化处理的研究

目的降低金属钛表面的反射率,探索钛表面黑化处理的新工艺。方法采用飞秒激光技术对金属钛表面进行了黑化处理,通过研究激光功率、扫描速度、重复频率等工艺参数,研究不同试验状态下样品的表面形貌和反射率,采用扫描电镜表征样品的微观结构,同时利用分光光度计测试样品的反射率曲线。结果当激光功率为6 W、扫描速度为100 mm/s、重复频率为200 k Hz时,样品的反射率最低,在250~800 nm波长范围内的平均反射率为2.66%。结论调节激光参数可以在金属钛表面获得不同形貌的微结构,不同工艺参数下获得的样品的反射率不同,但是都可以降低钛表面的反射率。     

冲击波动态传播特性对激光喷丸残余应力场的影响

以TC4钛合金为研究对象,基于Johnson-Cook本构模型,分析了高应变率效应对激光喷丸过程中塑性波波速的影响。通过三维有限元方法模拟了不同作用参数激光喷丸诱导冲击波的传播过程,探讨了多次激光喷丸作用后残余压应力饱和现象的产生机理及利用该效应获得均匀表面残余压应力的方法。结果表明:高应变率效应对激光喷丸作用过程中塑性波速度有显著影响,塑性波的速度与所产生的塑性应变呈反比关系。功率密度越大,初始产生的塑性应变越大,塑性波速度越小,冲击波能量衰减越快,冲击波压力幅值降低越快;相同激光喷丸功率密度,随着作用次数的增加,产生的塑性应变逐渐减小,塑性波速度增大,冲击波压力衰减变缓,使激光喷丸诱导的残余压应力逐渐增大;作用次数达到3~4次时,衰减过程基本相似,诱导的残余压应力增幅不大,作用效果基本达到饱和。利用多次激光喷丸作用产生的饱和效应,当激光光斑搭接率超过50%时,即可使搭接区域作用次数达到3次及以上,使激光喷丸作用效果达到饱和,可获得均匀的表面残余压应力。     

搭接率对TC4表面Ni60A熔覆层组织性能的影响

利用激光熔覆同轴送粉技术,在TC4钛合金表面制备了多道搭接的Ni60A激光熔覆层。利用SEM、硬度测试及摩擦磨损试验,对多道搭接率(30%、40%、50%、60%和70%)下熔覆层的组织性能进行了分析。结果表明:搭接率对Ni60A熔覆层的组织性能影响较大,搭接可实现涂层的二次加热,当搭接率为50%时,涂层中硬质相TiC的尺寸增大,TiNi的含量增多,可有效提升涂层的硬度,抵抗对磨小球剪切力,其表面不易被破坏,涂层的表面较为光滑,可极大程度降低涂层的摩擦因数。当搭接率为30%时,晶粒无法充分吸收激光能量,导致晶粒尺寸较小;当搭接率过高时,涂层中的B、C、Ni等元素会随着过烧而稀释,导致涂层的增强元素流失,降低了涂层的力学性能,因此,Ni60A熔覆层最适宜的搭接率为50%。     

45Mn钢发动机链板激光淬火表面的组织及力学性能

针对大型船舶发动机链条内外链板之间磨损严重的问题,提出采用激光淬火表面改性技术来提高链板表面力学性能的方法,并对45Mn钢表面进行单道和多道激光淬火试验,分析了其激光淬火后的显微组织和硬度变化规律。结果表明,单道激光淬火后形成了以板条马氏体与细小马氏体为主的相变硬化区。当激光功率为300～900 W、扫描速度为5～20 mm/s时,45Mn钢单道激光淬火后的表面硬度为850～950 HV,有效硬化深度约为0.63 mm,在基本没有改变表面粗糙度的前提下降低磨损体积,为未激光淬火时的45.1%～53.0%。多道搭接激光淬火形成以回火马氏体为主的软化区。经搭接率为30%的多道激光淬火后45Mn钢表面硬度较为平均,回火软化区的宽度为0.68 mm。     

Preparation and Performance of Spherical Ni Powder for SLM ProcessingEI北大核心CSCD

3D printing has attracted increasing interests in the field of metallic materials as it can effectively shorten the production cycle and create parts with complex shapes, which can hardly be produced by traditional methods. However, the gas atomization, as the mainstream method of preparing metal and alloy powders to meet the requirements of the processing of selective laser melting (SLM) at present, still has some limitations, such as hollow and/or satellite balls in the powder. This influences directly the density and performance of the printing parts. Moreover, the laser absorption in the smooth surface of powder particle is generally less than 10% in the laser processing, which hinders rapid heating of the powder. It has been found that the material can obtain multiple absorption of laser energy by increasing the surface roughness of powder particles, which can effectively improve the laser absorption rate and is beneficial to get the dense printing parts. Based on this, a novel method combining low temperature spray-drying with heat treatment was developed to prepare Ni powder with high purity, good sphericity, high flowability and narrow particle size distribution. The microstructure and laser absorptivity of the prepared Ni powder were compared with those of the commercial Ni powder prepared by gas atomization, and their influences on the microstructure and properties of the 3D printed bulk materials were investigated. It is found that the laser absorptivity of the Ni powder prepared by spray-drying is more than 2 times as high as that of the commercial Ni powder. This leads to a wider melting channel, smaller surface ten-sion and liquid-bridging force between particles in the printing process. As a result, the spheroidization phenomenon occurred on the surface of the printed bulk material can be avoided by the use of the spraydried powder, and the relative density is achieved as 99.2% at the as-printed state. In the microstructure of the printed bulk material, in addition to the cellular crystals, there are a number of fine columnar crystals, grown across the interlaminar boundaries, which is favorable for a high bonding strength between the interlayers.