YAG激光等离子弧复合焊接热源光谱特征分析

利用所研制的YAG激光等离子弧复合热源,进行了不锈钢激光等离子弧复合焊过程的电弧、光致金属蒸气成像观察和光谱分析.研究结果表明,不锈钢的激光焊金属蒸气云与等离子弧具有完全不同的动态特征,其线光谱峰出现在不同的波长带,激光焊Ar谱线波长出现在 520 nm,等离子弧焊的Ar谱线波长均大于696 nm,当激光与等离子弧复合,线光谱是两者的组合,谱线强度增大,可观察到Fe、Cr和Ni等的特征光谱产生.复合焊线光谱特征与激光功率、焊接电流、热源间距和热源顺序密切相关,当热源间距很大时,复合焊的光谱特征实际上是两种热源特征光谱的简单组合,这主要取决于激光与电弧的相互作用.     

激光-微束等离子弧复合焊接过程的结构负载声发射信号表征

采用脉冲YAG激光焊、微束等离子弧焊和激光-微束等离子弧复合焊对304不锈钢进行焊接试验,实时采集焊接过程中的结构负载声发射信号,研究声发射信号对焊接过程的表征. 结果表明,激光离焦量为-2 mm的激光-微束等离子弧复合焊接,热源复合效果更好,焊缝表现出更显著的复合热源焊接特征. 焊缝获得了更好的表面成形和熔深、熔宽. 热源复合效果更好的焊接过程,其声发射信号波形表现出更大振幅,且更为均匀,并与激光热源的周期性相符,呈现出明显的复合热源焊接周期性. 因此可以利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号表征激光和微束等离子弧两种热源复合效果特征.     

高温钛合金TA12激光-MIG复合焊应力场有限元分析

通过采用旋转高斯曲面体热源与双椭球热源线性叠加的方法来模拟激光-MIG复合焊接的有限元模型。并基于建立的热源模型,对厚8 mm的TA12钛合金板材的激光-MIG复合焊接的温度场和应力场进行耦合分析,并对比分析模拟结果与实际焊接结果。结果表明,TA12钛合金激光-MIG复合焊焊接变形和残余应力实验结果与数值计算值吻合较好,证明了该组合热源模型的适用性。     

基于有限元的镁合金弧焊过程分析

根据TIG焊接和激光．TIG复合热源焊接的物理特征．建立了基于TIG焊接过程的高斯面热源模型和基于激光-TIG复合热源焊接的新型双热源模型,分析了两种焊接方法对应的热源模型的特点。在此基础上．针对镁合金AZ31B,进行了单独TIG焊接和复合热源焊接温度场数值模拟及焊缝区微观组织分析,提出了其热源模型建立过程中的参数修改建议。通过与实测结果比较,表明以上建立的两种热源模型能准确地模拟镁合金AZ31B的单独TIG焊过程和复合焊接过程。     

激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头影响的模拟试验分析

建立304不锈钢T形接头三维有限元模型,研究激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头热变形及残余应力的影响. 采用高斯面热源加高斯锥形体热源组合的热源模型,模拟激光电弧复合热源,并通过304不锈钢激光电弧复合堆焊工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 结果表明,焊缝截面熔池形貌的数值仿真结果与焊接工艺试验结果吻合较好,该热源模型能有效模拟激光电弧两种热源的复合作用. 确定多种焊接顺序方案,分析不同焊接顺序下T形接头温度场、残余应力和热变形情况,激光电弧复合焊接顺序对T形接头残余应力及热变形均有影响,通过对比不同顺序下残余应力值及热变形量发现,顺序焊接能有效减小焊接残余应力,同时反向焊接产生的热变形量最小. 综合分析,不锈钢T形接头顺序反向焊接的效果最佳.     

小功率脉冲激光模具修复温度场数值模拟

利用建立的高斯面热源与旋转体热源复合热源模型,在MSC·Marc有限元分析软件中分析计算小功率脉冲激光焊接修复模具中的焊接热过程。提取有限元模拟结果中焊接起始焊接位置与焊接路径中间位置的温度场数据,与实际试验利用热电偶配合红外线测温仪测量结果对比分析。有限元模拟软件计算结果与红外线温度传感器测量的实际焊接过程温度场,以及焊缝截面金相照片对比验证相近。建立的复合热源模型可有效描述小功率脉冲激光焊接修复模具过程中的热传导过程,可为小功率脉冲激光焊接在修复模具过程的热传导分析提供数据分析,提高小功率脉冲激光焊接修复模具的质量和使用寿命。     

激光焊接热源和焊速对温度场影响的数值模拟

利用不同的工艺参数,进行A304不锈钢薄板激光对焊试验。建立了激光焊接的三维有限元模型,通过有限元方法,分析了热源模型和焊接速度对激光焊接过程中温度场和熔池形状的影响。结果显示,热源和焊速对温度场和熔池形状有很大影响,应用旋转高斯曲面热源模型得到的熔池形状与试验结果吻合良好。     

激光+GMAW复合热源焊接过程热-力耦合数值分析

从宏观的焊接热过程出发,根据激光+GMAW复合热源焊接的特点,提出了适用于复合热源焊接的“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式体积热源分布模式;建立了激光+GMAW复合热源焊接过程的有限元模型,数值计算了焊接温度场和焊缝横截面的形状尺寸,计算结果与试验结果吻合良好,证明了组合式体积热源模型的合理性和适用性. 采用焊接温度场的计算结果,进一步对复合热源焊接和GMAW的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和对比分析. 结果表明,在焊缝熔深基本相同的情况下,复合热源焊接的焊接热输入、焊缝熔宽、焊接变形和高应力区域范围等均比GMAW小. 研究结果印证了激光+GMAW复合热源焊接工艺的优越性,并为焊接工艺参数的优化提供了基础理论数据.     

铝合金变极性等离子弧焊应力场数值分析

以传热学及热弹塑性有限元分析法为理论基础,利用ANSYS有限元分析软件,对铝合金变极性等离子弧焊接温度场、应力场进行数值模拟. 建立 "高斯+双椭球"热源模型,通过正反极性不同尺度热源模型的循环加载,实现对焊接温度场及其应力场较准确的计算;焊后在焊缝的纵、横方向选取不同的点进行残余应力实际测量. 结果表明,不同路径上焊接残余应力值其分布规律与理论基本相同;实际测量结果同计算结果进行比较,二者数值相差较小,说明数值分析的计算结果具有一定的理论指导意义.     

基于数学模型的等离子弧焊接动态热源分析

通过建立等离子弧焊接熔池的三维数学模型,并以小孔动态演变过程与热源模型之间的相互耦合作用为基础,研究熔池内部的传热和流动过程,并由此建立出热源的动态模型。小孔形状尺寸可以通过体积流函数法得到,同时可建立小孔形状与热源模型之间的耦合关系。得到等离子弧焊接的温度场、流场和小孔的动态演化规律后,实验验证了焊接横断面熔池形状尺寸和小孔的穿孔形状尺寸的理论结果。     

Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in GTA/Laser hybrid welding

Abstract

In order to understand the temperature fields, cooling rates and mixing in the weld pool, a comprehensive, three-dimensional heat transfer and fluid flow model is developed and tested by comparing model predictions with two sets of experimental data. The first set of data was taken from the literature. The experiments varied the separation distance between the heat sources for three arc current levels at a constant laser power. The second set of experiments analysed the effect of varying laser power for a constant heat source separation distance. The results demonstrate that the distance between the two heat sources significantly affects the cooling rates. The calculated results showed that the hybrid weld pool was very well mixed with strong convection currents resulting from the interaction between the electromagnetic and Marangoni forces. The calculated and experimental results showed that hybrid welding increases the weld pool width and gap bridgability when compared with laser welding. The weld pool depth in hybrid welding was affected mainly by the characteristics of the laser beam. Hybrid weld pool penetration depth is maximised at an optimal distance between the arc electrode and laser beam. The cooling rate increases significantly when the heat sources are separated beyond a critical distance. At close separation between arc and laser, calculations show that the arc radius must be decreased to achieve the observed weld depths.     

窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

采用激光电弧复合焊焊接窄间隙坡口钢板,坡口会影响激光光致等离子体及电弧形态,从而改变能量密度分布。采用数值模拟手段,综合考虑激光与电弧的相互作用以及窄间隙坡口对等离子体及电弧的压缩作用,建立激光-MAG复合堆焊热源模型和适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊接热源模型,并分别进行堆焊和窄间隙坡口对接焊的温度场数值模拟。结果表明,两种热源模型的模拟所得焊缝形状与实际焊接焊缝熔合线相符性良好,熔宽、熔深相近,窄间隙坡口对温度场分布有重要影响。     

Effects of welding parameters on melting energy of CO2 laser–GMA hybrid welding

Abstract

A series of CO₂ laser–gas metal arc (GMA) hybrid welding experiments were carried out on the mild steel workpiece to investigate the effects of the welding parameters, such as laser power, arc current and the distance between laser and arc D _LA, on the melting energy. A dimensionless parameter psi was introduced to indicate the change in the melting energy of hybrid welding. The results showed that with different welding parameters, the melting energy of hybrid welding was changed by the two heat sources (laser and arc) interaction. With an optimal combination welding parameters, psi can be increased up to 23%. Finally, the role of the two different mechanisms in the heat sources interaction was quantitatively discussed in terms of psi. It can be concluded that when D _LA<4 mm, the interaction between the laser induced plasma and the arc plasma dominates the heat sources interaction, therefore the changes of melting energy, whereas the heat sources interaction is only dominated by the preheating mechanism when D _LA≥4 mm.     

TA2中厚板低功率激光诱导双电弧高效焊接及机理

采用低功率脉冲激光诱导双TIG复合焊接热源(LITTW)实现了6 mm厚TA2纯钛中厚板的高效焊接,基于Ti粒子的动力学行为,研究了激光脉冲对电弧等离子体的影响.结果表明,LITTW比激光诱导单TIG焊接(LISTW)的电弧能量更加集中,焊接能耗仅为LISTW的50.9%,速度却达到LISTW的2.3倍.激光脉冲作用后,电弧等离子体由能量集中状态恢复到原始电弧形态存在一个恢复时间,在本试验条件下,LITTW的恢复时间为6.5 ms,比LISTW延长了3 ms. LITTW中稳定的匙孔形态为Ti粒子持续向电弧等离子体转移提供了条件,延长了电弧等离子体的恢复时间.     

Synergetic effects of hybrid laser/arc welding

Abstract

The present study reports the results of a study examining the synergetic effects of hybrid laser/arc welding. Experiments were carried out with a 500 W Nd:YAG laser in combination with standard gas tungsten arc welding equipment and attention was focused on two aspects: the heat transfer efficiency and the melting efficiency. The heat transfer efficiency was determined by calorimetric measurements, whereas the melting efficiency was obtained from the transverse cross-sections of welds produced under various conditions. In addition, analytic calculations of the melting efficiency were performed on the basis of a modified form of the Rosenthal equation. The results show that the interaction of the laser and the arc does not lead to a noticeable change in the heat transfer efficiency, but results in a significant increase in the melting efficiency. The observed synergic melting effect is caused by addition of the two heat sources (laser and arc) and the contraction of the arc by the laser beam.     

电弧弧长对激光-电弧复合焊飞溅和底部驼峰的影响

由于热源形式的特殊性,激光-电弧复合焊接过程中激光和电弧间易发生相互干扰,产生飞溅和底部驼峰等缺陷。以590 MPa级船用高强钢为研究对象,研究了电弧弧长对激光-电弧复合焊飞溅和焊缝底部驼峰的影响。为了深入研究激光-电弧复合焊飞溅和底部驼峰的产生机理,利用高速摄像设备对熔滴过渡行为和焊缝底部熔池进行了观察。结果表明,适当缩短电弧弧长可以降低激光和电弧间的相互干扰,提高复合焊接过程的稳定性,进而降低飞溅产生的倾向。底部驼峰是小孔熔透性差和底部熔池流动不连续所引起的。缩短电弧弧长可以对底部驼峰的产生起到抑制作用,这是因为缩短电弧弧长可以降低等离子体对激光的吸收,提高激光的能量利用率,增加小孔熔透性和稳定性。 创新点： 研究了电弧弧长对激光-电弧复合焊飞溅和底部驼峰的影响,采用高速摄像方法对底部熔池流动进行了观察,进一步明确了激光-电弧复合焊接焊缝底部驼峰的产生原因。     

激光与电弧间距对激光复合焊熔滴过渡的影响

采用高速摄影设备研究了在两种焊接电流工艺参数下激光与电弧的间距变化对CO2激光-MIG电弧复合焊接熔滴过渡过程的影响.试验发现,在高速MIG焊接时熔滴过渡不稳定,在激光-MIG复合焊接时,由于激光光致等离子体对熔滴的热辐射作用和对电弧的吸引作用而改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态,使得熔滴的过渡过程发生了改变,对于不同的焊接电流工艺参数,存在不同的最佳激光与电弧间距.结果表明,在最佳间距下,即两个等离子体的耦合作用良好时,熔滴过渡形式为单一的稳定射流过渡,电流电压恒定,焊缝成形良好.     

铝合金高功率激光-MIG复合焊热源形态特征

为深入理解铝合金大功率激光-MIG复合焊热源空间分布特征,设计了以激光功率、电弧功率以及激光与电弧之间的距离为因素的全因子试验,采用高速摄影和图像处理技术得到等离子体的宽度和面积.结果表明,复合焊中热源功率存在一定的阈值,随着功率的增加低于这个数值等离子体尺寸减小而超过这个数值等离子体呈膨胀趋势,在高功率复合焊中等离子体宽度随光束功率的增加而增大.激光束与电弧之间的距离影响等离子体空间的几何分布,但是随着激光束与电弧之间距离的逐渐增加,复合焊焊接过程中的等离子体存在一个维持、膨胀和恢复的不断重复的周期过程.