基于“三明治”新方法的激光深熔焊接小孔效應(yīng)的模擬研究.pdf

1、激光焊接已經(jīng)成為了現(xiàn)代工業(yè)中一種標(biāo)準(zhǔn)加工工藝，并且由于其高精度、低變形、高效率、可焊接難焊接材料以及良好的加工柔性使得CO2 激光焊接的應(yīng)用越來越廣泛。在激光焊接中，當(dāng)一束高能量密度激光束（一般能量密度在10<'6>W/cm2以上）照射到工件表面上，材料將局部加熱和汽化，并在蒸汽壓力和束流壓力的作用下形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)類似圓柱形的小孔，同時(shí)還在小孔內(nèi)部和上面伴隨產(chǎn)生了大量高電量的光致等離子體，分別稱作小孔內(nèi)的孔內(nèi)等離子體和小孔外的等離子體云。

2、激光焊接中，光致等離子體的產(chǎn)生，尤其是小孔外閃爍的明亮藍(lán)色等離子體云，影響著激光焊接過程的進(jìn)行。嚴(yán)重時(shí)，等離子體云甚至?xí)?duì)激光束產(chǎn)生反射和離焦，阻隔激光束的傳播，從而導(dǎo)致熔深不足、過燒、焊縫形狀波動(dòng)且不規(guī)則，或者損傷聚焦光學(xué)鏡片；而小孔孔內(nèi)的孔內(nèi)等離子體卻對(duì)激光與材料的能量耦合起著非重重要的作用。激光深熔焊接的本質(zhì)特征是存在著小孔效應(yīng)。小孔包含于金屬之中，不易觀測(cè)，因此對(duì)小孔形狀的觀測(cè)和對(duì)孔內(nèi)等離子體測(cè)量的研究甚少。本文創(chuàng)造性地提出了一

3、種激光焊接“三明治”試件的全新的研究方法，即激光深熔焊接被兩片GG17 玻璃夾持的鋁膜，以實(shí)現(xiàn)直接觀測(cè)深熔焊接時(shí)的小孔和孔內(nèi)等離子體，以及模擬主平面內(nèi)的反射吸收過程。為了滿足試驗(yàn)的特殊要求，精心地設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置，主要包括：1）額定功率為1000W的PHC－1000 型準(zhǔn)封離型連續(xù)CO2激光器能穩(wěn)定輸出基模高斯光束；2）適用于測(cè)量孔內(nèi)等離子體電子溫度和電子密度的CCD 棱鏡光譜分析儀及相關(guān)的光譜采集和數(shù)據(jù)后處理軟件；3）遮擋孔外等離子

4、體云的專用焊接夾具。 論文首先采用高速攝影法清晰、完整地觀測(cè)了激光深熔焊接“三明治”試件時(shí)的小孔形狀；采用光譜分析法測(cè)定了孔內(nèi)等離子體的電子溫度和電子密度。試驗(yàn)結(jié)果顯示：1）GG17玻璃在近紫外區(qū)為連續(xù)譜線，且對(duì)近紫外區(qū)光沒有選擇性吸收，不會(huì)給試驗(yàn)測(cè)量小孔孔內(nèi)鋁等離子體的光發(fā)射特征譜線帶來額外的干擾。2）專用焊接夾具的使用成功地避免了在測(cè)量孔內(nèi)等離子體時(shí)孔外等離子體云的干擾。3）在各焊接工藝參數(shù)的所有試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，離焦量對(duì)熔深

5、影響最大，焊接速度對(duì)熔深的影響最小，保護(hù)氣體流量對(duì)熔寬的影響最大，焊接速度對(duì)熔寬的影響最小。4）小孔孔內(nèi)鋁等離子體的溫度在14000K～18000K 之間變化，電子密度從1.2×10 <'17>cm-3 到2.5×10<'17>cm-3 之間變化，論證了焊接工藝參數(shù)對(duì)小孔孔內(nèi)鋁等離子體的溫度影響很大，且孔內(nèi)等離子體與孔外等離子體云的微觀參量存在著較大差異。5）小孔孔內(nèi)較低濃度的等離子體有利于材料對(duì)激光能量的吸收，但隨著孔內(nèi)等離子體濃度的

6、增加，孔內(nèi)等離子體將抑制小孔對(duì)激光能量的吸收，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致小孔的塌陷。 其次，論文依據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，計(jì)算了孔內(nèi)等離子體對(duì)激光的吸收系數(shù)和孔壁的Fresnel 吸收系數(shù)，由此定量計(jì)算了小孔孔壁對(duì)激光的多次反射吸收和等離子體反韌致輻射吸收。計(jì)算結(jié)果表明：1）孔內(nèi)等離子體的反韌致輻射吸收系數(shù)隨著孔內(nèi)等離子體溫度的增大而減小，隨著電子密度的增大而增大。2）小孔孔壁上所吸收的激光功率密度分布并不均勻，最大值位于小孔孔底；小孔前沿所吸收的激光功

7、率密度大于小孔后沿。小孔后沿吸收的激光功率密度主要來自于小孔孔內(nèi)等離子體的反韌致輻射吸收；小孔前沿所吸收的激光功率密度主要來源于小孔孔壁的多次反射吸收。3）離焦量對(duì)小孔孔壁前沿吸收的激光功率密度影響較大，而對(duì)小孔后沿孔壁吸收的激光功率密度影響較小。正離焦時(shí)，照射到工件表面的激光功率密度減小，小孔孔壁所吸收的總的激光功率密度降低；負(fù)離焦時(shí)，入射到小孔孔內(nèi)的激光功率密度增大，此時(shí)小孔孔壁所吸收的總的激光功率密度增加。4 ）比較孔壁需要輸入的

8、熱流密度和孔壁吸收的激光功率密度可以看出，其分布趨勢(shì)是完全一致的。小孔是通過自適應(yīng)的方式調(diào)節(jié)孔壁上材料吸收的激光功率密度分布和需要輸入的熱流密度分布，并使之達(dá)到平衡。 最后，論文在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的小孔形狀的基礎(chǔ)上，考慮熔池的對(duì)流和材料熱物性參數(shù)的溫度依存性，建立一個(gè)移動(dòng)圓柱體面熱源二維傳熱模型和一個(gè)三維傳熱模型，并基于ANSYS 軟件，采用有限單元法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。計(jì)算結(jié)果顯示：1）小孔前沿的溫度梯度、速度梯度大；后沿的溫度梯度、