气体对激光焊接熔深和等离子体行为的影响
激光焊接熔深检测原理解析
激光焊接熔深检测原理解析激光焊接熔深检测原理解析简介：激光焊接是一种广泛应用于许多行业领域的高精度焊接技术。
这项技术通过将高浓度的激光束聚焦到工件上，以达到高能量密度，从而实现焊接的效果。
然而，激光焊接的一项重要指标是焊缝的熔深，即焊缝的深度。
为了确保焊缝达到设计要求，熔深检测是一个必不可少的步骤。
概述：激光焊接熔深检测是通过测量焊缝的熔深来评估焊接质量的一项关键技术。
焊缝的熔深通常是指从焊接表面到焊接底部最深处的距离。
熔深的大小可以直接反映焊接质量及焊接参数的调整是否适当。
原理解析：激光焊接熔深检测依赖于激光的特性以及焊接过程中的热传导规律。
在激光焊接过程中，激光束的高能量密度会使工件受热并迅速熔化，而焊接过程中的热传导会使热量从焊接区域向周围传播。
在焊接完成后，焊缝区域会自然冷却，熔化的金属会重新凝固成为固体。
依靠热耦合效应，焊缝的温度和固化过程的热传导效应会产生独特的温度-时间曲线。
利用这一特性，可以通过测量焊接表面的温度变化来推断焊缝的熔深。
一种常用的方法是使用红外热像仪或其他热像技术来实时监测焊接过程中焊接表面的温度变化。
在熔深检测过程中，可以将焊接表面的温度曲线与已知的标准曲线进行比较。
根据曲线的形状和变化趋势，可以确定焊接缺陷或焊接参数的不符合情况。
通过分析焊接表面的温度分布，可以计算出焊缝的熔深。
观点和理解：激光焊接熔深检测是确保激光焊接质量的关键步骤之一。
通过测量焊缝的熔深，可以确定焊接参数的是否合适，并及时发现焊接缺陷。
熔深检测不仅可以改善焊接的质量，还可以提高生产效率。
对于激光焊接熔深检测技术的研究还在不断深入。
一些新的高精度传感器和测量方法已经被开发出来，以提高检测的准确性和灵敏度。
同时，通过结合人工智能和机器学习等技术，可以实现对焊接过程的实时监测和自动调整。
总结和回顾：激光焊接熔深检测是一项关键技术，用于评估激光焊接质量。
它基于测量焊接表面的温度变化来推断焊缝的熔深。
激光焊原理、特点、应用范围及分类
激光焊原理、特点、应用范围及分类一、原理激光是利用原子受辐射的原理，使工作物质受激而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束，经聚焦后把光束聚焦到焦点上可获得极高的能量密度，利用它与被焊工件相互作用，使金属发生蒸发、熔化、结晶、凝固而形成焊缝。
二、特点①由于激光束的频谱宽度窄，经汇聚后的光斑直径可小到0.01mm，功率密度可达109W/cm2，它和电子束焊同属于高能焊。
可焊0.1～50mm厚的工件。
②脉冲激光焊加热过程短、焊点小、热影响区小。
③与电子束焊相比，激光焊不需要真空，也不存在X射线防护问题。
④能对难以接近的部位进行焊接，能透过玻璃或其他透明物体进行焊接。
⑤激光不受电磁场的影响。
⑥激光的电光转换效率低（约为0.1％～0.3％）。
工件的加工和组装精度要求高，夹具要求精密，因此焊接成本高。
三、应用范围①用脉冲激光焊能够焊接铜、铁、锆、钽、铝、钛、铌等金属及其合金。
用连续激光焊，除铜、铝合金难焊外，其他金属与合金都能焊接。
②用脉冲激光焊可把金属丝或薄板焊接在一起。
③主要应用于电子工业领域，如微电器件外壳及精密传感器外壳的封焊、精密热电偶的焊接、波导元件的定位焊接。
④也可用来焊接石英、玻璃、陶瓷、塑料等非金属材料。
四、激光焊分类按激光器输出能量方式的不同，激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。
1. 传热焊采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。
这种焊接机理称为传热焊，它类似于TIG电弧焊过程，如图1(a)所示。
传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率低，焊接熔深浅，焊接速度慢主要用于薄（厚度＜1mm）、小零件的焊接加工。
激光焊接工艺参数讲解
激光焊接原理与主要工艺参数作者:opticsky 日期:2006-12-01字体大小: 小中大1．激光焊接原理激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。
功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。
下面重点介绍激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。
在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。
这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。
小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。
孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。
光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。
就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。
上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。
2. 激光深熔焊接的主要工艺参数1激光功率。
激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。
6061-T6中厚板铝合金激光焊接工艺研究
6061-T6中厚板铝合金激光焊接工艺研究针对6mm厚6061-T6铝合金试板做了大功率激光焊接试验，从焊接稳定性入手，分别讨论了离焦量、焊接速度、保护气体流量以及激光功率对激光焊接的影响，确定了中厚板铝合金在大功率激光焊接条件下的最佳激光焊接工艺参数。
最后，利用Simufact Welding软件针对试验结果进行了模拟验证。
结果表明：在采用氩气作为保护气体的条件下，最佳气流量范围为20L/min～25L/min。
在离焦量为-6mm～-4mm时，焊缝的熔深与焊接的稳定性均达到一个较好水平。
中厚板铝合金激光焊接难以得到临界焊透焊缝，往往表现为“透则漏”，因此容易得到部分焊透焊缝，此时小孔的稳定性最差，而全熔透焊的稳定性相对较好。
關键词：激光焊接;焊接角度;数值模拟;气孔率;力学性能6061-T6铝合金具有优良的焊接特性、良好的抗腐蚀性、韧性高且加工性能优异、氧化效果极佳等优良特点，逐渐替代了传统的钢材，广泛应用于电子、精密仪器、通讯以及航天领域[1-3]。
激光焊接是一种先进的连接技术，具有热输入小，变形小等优势。
但是由于深熔焊焊接过程铝合金材料对激光反射率高，激光能量吸收率很低、合金元素烧损严重，焊接过程不稳定，以及铝合金本身特殊的物理性质使得这种工艺还不成熟，焊接时存在着易产生焊缝下塌和气孔缺陷等问题[4-7]。
本文采用6mm厚的6061-T6中厚铝板铝合金材料，进行单因素激光焊接试验，研究不同的焊接工艺参数对激光焊接焊缝成形和焊缝质量的影响，优化中厚板铝合金激光焊接工艺参数，总结工艺参数与焊接接头形状的关系，并对接头的金相组织与力学性能进行观察与测试得出接头形状与金相组织及力学性能的相关性。
1 试验材料及方法试验材料为板厚6mm的6061-T6铝合金，化学成分如表1，实验板的尺寸为。
试验采取氩气为保护气体，通过控制单因素变量进行试验。
激光器是YLR-6000光纤激光器，激光焊接实验中保护气嘴与试验板表面法线的夹角为，距离实验板表面为5mm，焊接前用带有丙酮的棉布将实验板的表面擦拭干净，防止污染实验板，影响试验结果，焊接过程中保持激光垂直照射在焊板上。
金属熔接实验中的气体控制技术
金属熔接实验中的气体控制技术在金属熔接实验中，气体控制技术是非常重要的环节。
不仅要保证熔接区域的气氛稳定和干燥，还要控制气氛中的氧含量等因素，以确保最终焊接的质量和强度。
一、熔接中氧含量的控制在金属熔接实验中，氧含量会对焊缝的质量产生巨大影响。
过多的氧化物会导致焊接的强度降低，甚至引起焊缝的开裂等问题。
因此，控制气氛中的氧含量是熔接实验中的一项重要任务。
通常，可以通过加入惰性气体，如氩气或氦气等，来控制气氛中的氧含量。
这些气体不仅可以减少氧在熔接过程中的影响，还可以有效保护正在熔化的金属表面，防止氧化反应的发生。
此外，还可以采用一些化学物质，如镁、钛、铝等金属粉末，来实现氧的消耗。
这些粉末可以与氧气反应，产生金属氧化物，并将氧气从熔接区域中移除，从而降低氧含量。
二、对气氛干燥的要求在金属熔接实验中，气氛的水份也是一个需要重视的问题。
高水份的气氛会导致熔融区域出现裂纹等问题，影响熔接过程的稳定性。
因此，保持气氛的干燥是非常重要的任务。
通常，可以通过安装除湿设备或选择合适的气体来实现气氛的干燥。
除湿设备可以有效降低气氛中的湿度，保持熔接过程的稳定性。
另外，选择含有少量水分的气体，如干燥的氧气或氮气等，也可以实现气氛的干燥。
三、惰性气体的选择在金属熔接实验中，惰性气体的选择也是非常重要的。
惰性气体的选择应该根据熔接过程的要求和被熔化的金属种类来确定。
通常，最常用的惰性气体是氦气和氩气。
这两种气体不仅可以防止氧化反应的发生，还可以在熔化过程中形成稳定的等离子体，并保护正在熔化的金属表面。
此外，还可以使用其他惰性气体，如氦氖、氖气等。
这些惰性气体可以在不同的熔接情况下，提供最佳的保护作用，并帮助达到最佳的焊接效果。
四、使用气体控制技术的注意事项在使用气体控制技术时，需要注意以下几点：1. 选择合适的气体：应根据金属种类和熔接要求选择合适的气体。
2. 控制气氛的稳定性：在熔接过程中，应保持气氛的稳定和干燥，以保障熔接效果。
光纤激光切割头所使用的气体
光纤激光切割头所使用的气体摘要：一、光纤激光切割头的工作原理二、光纤激光切割头所使用的气体类型及作用1.氧气2.压缩空气3.惰性气体三、气体参数对切割效果的影响四、如何选择合适的气体五、结论与应用正文：光纤激光切割头是一种高精度、高速度的切割设备，被广泛应用于金属加工、电子、汽车制造等领域。
其工作原理是利用高能量的激光束通过光纤传输，聚焦在材料表面，使材料迅速加热至熔点或沸点，从而实现切割。
在光纤激光切割头的工作中，所使用的气体起到了至关重要的作用。
光纤激光切割头所使用的气体主要有三种类型：氧气、压缩空气和惰性气体。
1.氧气：在光纤激光切割过程中，氧气被广泛应用于切割低碳钢、不锈钢等金属材料。
氧气能加速金属材料的氧化反应，使切割速度更快，切割面更光滑。
同时，氧气还能提高激光束的稳定性，延长激光器寿命。
2.压缩空气：压缩空气在光纤激光切割头中主要用于驱动激光切割头进行移动，以及辅助激光束聚焦。
压缩空气能提供稳定的切割速度和精度，减少切割过程中的振动，提高切割质量。
3.惰性气体：惰性气体如氦气、氩气等，主要用于保护光纤激光切割头的光学元件，防止其在高温和高湿度环境中受损。
惰性气体还能提高激光束的稳定性，降低激光器的能耗。
在实际应用中，气体参数的选择对切割效果具有重要影响。
合适的气体参数可以使切割速度、切割质量和切割成本达到最优平衡。
例如，对于不锈钢等高反射材料，选用合适的氧气浓度和压缩空气压力，可以提高切割速度和切割质量。
而对于铜、铝等高导热材料，则需要调整惰性气体的流量，以保持激光束的稳定性。
总之，光纤激光切割头所使用的气体对其切割效果和设备寿命具有重要影响。
了解各种气体的特点和作用，合理选择和使用气体参数，将有助于提高切割质量和降低生产成本。
在实际应用中，可根据切割材料、切割速度和切割设备的要求，灵活调整气体类型和参数，实现最佳切割效果。
激光焊接焊渣产生机理
激光焊接是一种高能量密度焊接方法，利用激光束将工件表面的材料熔化并连接在一起。
在激光焊接过程中，焊渣的产生主要是由下面几个机理引起的：
1.气体挤出：激光焊接时，熔池区域产生高温，其中的液态金属会蒸发成气体。
这些气体
以及周围的大气气体在激光束作用下被喷射出来，形成了焊渣。
2.杂质和夹杂物：在焊接区域中，可能存在着杂质和夹杂物，如氧化物、灰尘、油脂等。
当激光束照射到这些物质上时，它们会受热并融化，形成焊渣。
3.表面反射：激光束在照射到金属表面时，部分激光能量会被金属表面反射回来。
这些反
射的激光束与熔池相互作用，激发局部熔化和蒸发，从而形成焊渣。
4.液滴喷射：在激光焊接过程中，熔池中的液态金属可能会形成一些小液滴。
这些液滴可
以被激光束或气体流动带走，并冷却凝固成焊渣。
需要注意的是，焊渣的产生对于激光焊接来说是难以避免的。
然而，通过优化焊接参数、控制激光功率和焊接速度、提高焊接质量和减少杂质含量等措施，可以降低焊渣的生成量和影响，提高焊接质量。
此外，在焊接后及时清除焊渣也是重要的，以确保焊缝的质量和整体工件的性能。
激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析
激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析张建斌;张健;樊丁;黄健康【摘要】针对连续激光深熔焊接,考虑表面张力、气化压力、浮力和液固之间内部作用力,以及熔池内层流、辐射和气液界面传热传质等因素,建立连续激光深熔焊接激光热源随熔深变化的自适应模型和小孔填充模型,并对熔池的深度、温度分布、流场分布以及相同焊速、不同功率下小孔的动态演变过程进行分析.结果表明:运动熔池形成过程中,焊速为0.08 m/s,功率分别为1 600、2 000、2 400W,焊接时间t ＜7.2 ms时,小孔深度随时间成线性增长,当焊接时间t＞7.2 ms时,小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定;随着激光光束的移动,熔池金属绕过小孔,从小孔前部熔池流向后部形成环流,凝固形成“鱼鳞状凝固线”.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2015(041)002【总页数】5页(P22-26)【关键词】激光小孔;VOF;气化压力;动态演变【作者】张建斌;张健;樊丁;黄健康【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TG456.7连续激光深熔焊接其本质是存在小孔效应的焊接过程,其动态演变过程(形成、维持、闭合)对焊缝深度以及焊接质量有着决定性的影响.熔池中出现小孔时,小孔与熔池相互影响,小孔形状和尺寸的改变直接影响到熔池中流体流动和传热过程；而熔池液态金属流场与温度场[1]也反过来影响小孔的形状与尺寸.目前对激光深熔焊接小孔行为、熔池流动的观察以及实验[2],国内外研究人员多采用高速CCD摄像、X射线[3]、可听声监测等试验手段来研究小孔和熔池的耦合行为,但这些实验手段并不能获得全面有效的小孔及熔池内部的流场、压力场及温度场数据.因此,建立合适的综合数学模型,通过数值模拟的手段获得小孔壁面和熔池内部的能量、密度、温度、压强、速度等物理量分布以及小孔实时形貌,对于探讨激光焊接的本质以及有关物理现象具有重要的科学意义.基于小孔内部等离子体对激光热量的反韧致辐射吸收和小孔壁面Fresnel吸收机制,旺任凭[4]、庞盛永[5]等人运用反射吸收热源模型,该方式能很好地描述激光与材料的传热,但是没有考虑等离子体对激光光束的吸收以及等离子体温度对激光吸收率的影响.激光深熔焊接过程中熔池流动和传热行为对焊接过程的稳定性及最终的焊缝质量有着重要的影响.Graf等人[6]研究了动态偏振技术对焊缝表面成形的影响.Arata等人[7]为了观测熔池内部流场情况,采用示踪元素钨对焊接过程中熔池内部流场进行实例性的呈现,该方法首先将钨元素预置于工件上表面,焊接过程中利用X射线高速成相观察钨元素在熔池内部的流动行为.山东大学张涛等人[8]针对穿孔等离子弧焊的工艺特点,建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式,考虑了等离子焊接电弧的挖掘作用而形成的倒喇叭状焊缝形貌的特点,描述了等离子弧沿工件厚度方向的热作用,推导了热源深度随小孔深度动态调整的自适应模型.本文在考虑了气化压力、表面张力、Boussinesq浮力、液固之间的内部作用力、对流、热辐射以及气液界面的传热与传质等影响因素,应用了连续激光深熔过程中热源深度随小孔深度动态调整的自适应模型,预测了熔池温度场、流场分布以及小孔形貌的动态演变.采用激光热源随熔深变化的自适应模型,如式(1,2)所示,能实时追踪小孔深度并动态调整热源的深度[9],且能量服从高斯热源分布.假设等离子体的反韧致辐射吸收为常数,不考虑辐射、对流等因素引起的热量损失,计算小孔剖面的形状.式中：R0为激光有效半径；H(t)为随时间变化的小孔深度值；η为激光吸收效率；Q为激光的有效吸收功率.焊接过程中小孔达到动态平衡状态时,小孔壁面所受合力为零,小孔表面受力分析如图1所示,则法向上受力平衡关系如式(3)所示[10]：式中：pa为表面张力引起的附加压力,pg为金属蒸气产生的气化压力,pl为重力引起的液体静压力,pc为向心力产生的压力,pā为表面张力.金属蒸汽气化压力如式(4)所示[11]:式中：P0为大气压力；ΔHlg为气化潜热；Tlg为气液平衡温度.大量实验研究表明：在合理的激光焊接参数下,焊接接头任意截面上的焊缝组织、性能及热影响区形貌相差不大,可以达到一个相对稳定的状态,因此在建立模型之前先做如下假设：1) 焊接过程为准稳态过程；2) 不考虑熔池与气体之间的化学反应；3) 流动方式为层流；4) 除浮力项中密度可变外,不同状态下的物相密度为常数.描述熔池、小孔传热和流动的控制方程包括能量、动量和质量守衡方程.采用焓、孔隙度法来处理焊接过程中凝固熔化问题.在计算区域内的每个单元,每一步迭代中,采用热焓平衡法计算液相体积分数来估算液固界面.定义材料的热焓为式中：href为参考焓,Tref为参考温度,T为温度,CP为比热容,β为液体体积分数,Lm为熔化潜热.能量方程为式中：t为时间；ρ为密度；v为流体速度矢量；k为热导率；Sv为源项.描述熔池流体流动的动量方程和连续行方程为式中：μ为黏度,p为压力,S为动量方程源项.当激光热量作用于工件表面时,随着熔池的形成且不断扩大,在气化压力的作用下形成小孔,同时熔池和小孔的相互作用影响温度场和流场的变化.焊接过程中采用VOF对熔池的气液界面进行追踪,液体体积分数记为φ(x,y,z,t),流体体积分数控制方程为气相边界条件如图1所示，图中AB和BC为outflow,O1A为喷嘴(保护气体的入口),喷嘴半径为1.5mm,保护气体流量为40L/min,速度为0.1m/s,初始条件为O1O2为对称边界条件,对称边界条件如式(11、12)所示:图1中CD为壁面边界,位于工件外表面,考虑壁面对流散热的损失，可表示为式中：n表示法向矢量,αcr是因对流和辐射而散失的热流密度.实验材料为304L不锈钢,其物性参数如表1所示[12].利用CO2激光器进行模拟焊接,光束半径为0.25 mm,激光功率分别为1.6、2.0、2.4 kW,计算时采用正六面体有限差分网格,网格尺寸0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm,母材尺寸10 mm×4 mm×6 mm,时间步长设置为1×10-6s.图2给出了焊接速度为0.08 m/s,焊接功率为2 000 W,光斑直径为0.5 mm时,激光深熔焊时模拟小孔形貌和实验结果对比.图3所示为激光功率分别1.6、2.0、2.4 kW、焊接速度0.08 m/s时小孔深度随时间变化曲线.结合图3，并根据当前工艺条件下小孔深度的变化趋势，可以将焊接过程分为3个特性阶段：在第1阶段小孔深度成线性增长；第2阶段小孔深度振荡增长,此时的增长速度比第1个阶段要慢,且随着焊接时间的增长越来越慢；第3阶段小孔深度的平均值趋于稳定,但伴随着高频振荡过程.从图3看出,第1阶段的持续时间非常短,持续时间大约为7.2 ms,第2、3阶段由于小孔内部受热不均,小孔壁面上受到的气化压力不能与表面张力以及金属液体的冲击力保持平衡,因此小孔开始出现振荡.这个小孔形成的模拟结果与X射线实验结果[13]在数量级上大致吻合.图4为小孔的动态演变过程.从图4可以看出,当焊接时间达到7.2 ms左右时,小孔深度的平均值趋于稳定,而在时间t=14.1~26.5 ms的焊接过程中,由于小孔壁面的受力不平衡,导致小孔深度值不稳定.由于激光中心温度比其他位置温度高得多,而且小孔前壁倾角比小孔后壁大一些,这使得激光束移动过程中大部分激光束照在小孔前壁面上,当气、液界面温度高于3 200 K时,在小孔的前壁面发生强烈的气化,熔池前部熔化的金属在气化压力的作用下向熔池后部流动.预置碳化钨薄片于试件表面进行焊接实验,形成的焊缝横截面钨元素分布情况如图5所示.根据焊接实验结果建立连续激光深熔焊小孔填充模型,即第4阶段小孔填充模型.由于激光光束向前移动,熔池后沿温度降低,受到气化压力的作用减小,小孔前沿液态金属向后流动,导致小孔后沿液态金属沿孔壁向上流动,熔池后部(如图6中B 区)金属向下流动形成环流区,液态金属凝固形成向下凸起的“鱼鳞状凝固线”横截面形貌.图7所示为小孔壁面φ(x,y,z,t)=0.5时,小孔后部熔池纵、横截面流场.从图中可以看出,在小孔后壁边沿液态金属沿着小孔壁向上流动,推动熔池边缘附近液态金属从熔池表面流到熔池底部,使得熔池上部环流扩展到熔池底部,且在扩展过程中流速逐渐减小.距离小孔壁面越近，熔池温度相对越高,则流速越大,并受到热传导和对流等因素的影响,熔池金属凝固形成“鱼鳞状凝固线”[15].综合以上分析可知,在熔池形成的各个阶段,小孔壁面周围液态金属受气化压力作用明显,同时也是驱动熔池内部液态金属运动的主要驱动力.1) 连续激光深熔焊接过程中,当焊接时间达到7.2 ms左右时,由于小孔壁面受力不平衡导致小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定；2) 基于焊缝横截面钨元素分布,建立了小孔填充模型.小孔前部熔池金属在气化压力的作用下绕过小孔向熔池后部流动,形成局部环流,并受到对流和热传导等因素影响,导致液态金属凝固形成“鱼鳞状凝固线”.【相关文献】[1] 樊丁,霍宏伟,石玗,等.不锈钢薄板TIG焊三维熔池数值模拟与测量 [J].兰州理工大学学报,2013,39(6):19-23.[2] 晏丽琴,樊丁,黄勇,等.耦合电弧对AA-TIG焊接熔深的影响 [J].兰州理工大学学报,2010,36(2):21-25.[3] MIZUTANI M,KATAYAMA S.Keyhole behavior and pressure distribution during laser irradiation on molten metal [C]//Proceedings of the 22nd international congress on applications of lasers and electro-optics,Jacksonville,2003,LIA,Jacksonville,FL,Section A-Welding,2003:25-36.[4] 旺任凭,雷永平,史耀武,等.基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用 [J].激光技术,2011,35(1):31-35.[5] PANG Shengyong,CHEN Liliang.A three-dimensional sharp interface model for self-consistent keyhole and weld pool dynamic in deep penetration laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2011,44(18):205-301.[6] GRAF S,STAUPENDAHL G.Generation of a dynamic polarized laser beam for applications in laser welding [J].Journal of Applied Physics,2010,22(2):43102-43106. 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激光复合焊工艺参数选择
第50卷第2期2021年4月船海工程SHIP&OCEAN ENGINEERINGVol.50No.2Apr.2021DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2021.02.025激光复合焊工艺参数选择郑小东，李洛凡，李宁(上海外高桥造船有限公司，上海200137)摘要:针对激光复合焊首次应用于船舶制造，参数众多,缺少针对性试验的问题，进行多参数调整、多次对比试验，分析各项参数对激光复合焊质量的影响，结合试验数据提出各项参数的合理范围，确定的重要参数有激光功率、激光吸收率、焦点位置及光丝间距，与电弧相关的参数有焊接速度、送丝速度,以及过渡形式，各项参数的参数调整会宜接影响到复合效果，进而影响焊接质量。
关键词:激光功率;激光吸收率;焦点位置;光丝间距;焊接速度中图分类号:U671.8文献标志码:A文章编号：1671-7953(2021)02-0098-05激光复合焊因其被焊件热影响区小、焊接深宽比高、不局限于导电材料、不受磁场的影响、焊接过程中变形小等特点,近些年在国内船舶制造行业得到了迅速的发展和应用。
在国内首制大型邮轮薄板分段的建设中，引进了多套激光复合焊设备,实现了拼板焊缝单面焊双面成型、纵骨一次定位焊接等工作,在保证了焊接质量的同时,减少了大量矫平、返修工作,提升了生产效率,在船舶制造中有着重要意义。
影响激光复合焊质量的主要参数大致分为2类:①与激光参数，如,激光功率、激光吸收率等;②电弧的参数，如,焊接速度、送丝速度等。
这几个重要参数均会对熔深、正反面焊宽、焊缝成型产生影响。
结合以往经验，通过各项参数的对照试验,分析并调试出不同工况下各参数之间的合理选择范围，可以用于提高激光复合焊设备操作人员的技术水平,提升激光复合焊质量。
1关键参数对焊接质量的影响1.1对照试验焊接速度、送丝速度,以及激光功率是3个宜接影响激光复合焊质量的关键参数。
焊接速度和送丝速度对焊缝正反面熔宽及余高起主导作用,激光功率会直接影响焊缝的熔深,当光斑直径一定时,熔深随着激光功率的提高而增加。
激光焊接速度对激光焊接强度的影响【详解】
激光高亮度、方向性好、单色性好，人们首先想到的是它可以熔化金属、切割钢板，自然也就想到激光焊接机。
对于具有共熔性的同种或异种金属，在激光照射下，由于吸收光能，使局部温度迅速升高，在功率密度恰当时，局部被照射部分的金属达到熔点，但不发生汽化，待熔化金属冷却凝固后，两部分材料就焊接在一起，这是一种很直接简便的焊接方法，并具有很多优点。
激光焊接是一种无接触加工方式，对焊接零件没有外力作用。
激光能量高度集中，对金属快速加热、快速冷却，对许多零件来讲热影响可以忽略不计，可认为不产生热变形，或者说热变形极小。
焊接速度对激光焊接强度有什么影响呢?当激光功率一定时，激光焊接速度成为影响焊缝强度的主要因素。
激光深熔焊时，焊缝熔深几乎与焊接速度成反比，焊缝熔深及宽度随焊接速度的加快而减小。
焊接速度太快，气体来不及逸出，焊缝中易产生气体，且熔深浅，不能焊透;焊接速度太慢，生产率低，成本高，热影响区常因过热晶粒粗大而脆断，工件变形也大。
确定焊接速度的上限是为了防止金属未熔透和自淬火速度过快以致不能流动和融合，否则熔化的金属会趋向于仅沿焊件顶端形成金属珠。
激光功率与焊接速度影响熔焊缝熔深、熔宽与焊接速度的关系深和缝宽，进而影响焊缝强度。
焊接速度一定时，焊缝强度有一临界区。
当功率低于其下限值，强度随着功率的提高而增加，这是因为随着功率升高，熔深增加而强度增加的缘故。
扩展资料：影响激光焊接机焊接速度的有这5点因素：光纤激光焊接机是现今焊接行业十分受欢迎的一种加工设备，它带来的生产效率和生产价值不可估量，那么还有没有其他办法提高它的焊接速度，让光纤激光焊接机的作用更上一层楼呢?影响焊接速度3大主要参数，激光功率、焊接速度、离焦量，其余参数的有保护或者侧吹气体流量。
如果你是在探索焊接工艺参数的初级阶段建议选择控制单一变量法，在施焊过程中，离焦量找到合适值后保持不变，主要调节激光功率和焊接速度，因为焊缝成形一般主要是激光功率和焊接速度二者共同决定的，也就是说两个参数需要形成一个合适的焊接工艺参数窗口。
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文章编号:1008-1402(2001)02-0171-04气体对激光焊接熔深和等离子体行为的影响¹
曹丽杰, 张朝民(佳木斯大学,黑龙江佳木斯154007)摘 要: 利用1.7KW连续波CO2激光器焊接厚度为4mm的SUS304奥氏体不锈钢,分析了气体种类及压力对焊缝熔深的影响,并利用高速摄象机拍摄了等离子体照片.分析了等离子体的行为特征.试验结果表明气体压力减小,熔深增大,且达到饱和熔深.同时压力减小,等离子体数量也少.Ar气情况下等离子体明显.关键词: 激光焊接;气体种类及压力;等离子体中图分类号: TG456.2; TG456.7 文献标识码: A
0 引 言激光焊接时如何实现深熔焊,是许多学者关心的问题.影响焊缝熔深的主要因素有激光输出功率、功率密度、气体种类及压力、母材的化学成分、焊接速度等.此外,还有等离子体.因为伴随小孔的形成,在小孔内部和工件表面存在大量的等离子体.等离子体是母材中低熔点合金元素蒸发烧损导致的,同时,周围气体在高强度的激光作用下也电离为等离子体.等离子体吸收激光,改变激光束的聚焦形态[1-3],因此工件对激光的吸收率减小,不易获得深熔焊.因此在实际焊接过程中,要抑制等离子体.可以采用惰性气体吹散[4-5]和侧吸[6]的办法减少等离子体.本文重点讨论了气体种类和压力对等离子体的影响,探讨了等离子体数量和熔深的关系,为控制等离子体,实现深熔焊提供理论基础.
1 试 验
将焊件置于密闭容器中,充气前先将容器抽真空.焊接装置如图1.光束通过ZnSe透镜聚焦后,射到
图1 焊接示意图工件上,工件表面迅速熔化汽化,在工件上产生等离子体,连续波CO2激光器的输出功率为1.7kW,ZnSe的透镜焦距为508mm,光束在工件上形成斑点直径(1/e直径)为1.0mm.气体分别为N2,He,Ar气,气体压力在0.1torr～760torr之间变化.焊接材料为SUS304奥氏体不锈钢,厚度4mm(表面机械清理).利用读数显微镜测量焊缝熔深,利用高速摄象机(拍摄速度为每秒2000个图象)拍摄激光等离子体照片,同时
第19卷第2期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol.19No.22001年6月JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)June2001
¹收稿日期:2001—03—22
作者简介:曹丽杰(1968—),女,黑龙江佳木斯人,佳木斯大学材料工程学院讲师,哈尔滨工业大学在读硕士研究生.分析等离子体特征.表1 工艺参数
激光功率透镜焦长气体气体压力焊接速度1.7kW508mmHe N2 Ar0.1-760torr0.5-5.0m/min
表2 材料化学成分材料CSiMnPSNiCrFeSUS3040.050.481.20.0310.0068.7618.38bal.
2 试验结果及分析2.1 熔深和气体压力及气体种类的关系图2是He气条件下,压力在0.1torr～760torr之间变化时的熔深和焊速的关系.图3是在每一焊速下,熔深和气压的关系.由2可见在高速焊区(v>2m/min)不同气压产生的熔深变化不大.但在低速焊区(v<2m/min)气体压力较大时产生的熔深较小.且随焊速降低,当气压p≤100torr时,熔深迅速增加.从图3可以看出当气体压力由760torr减小时,熔深逐渐增大,当气压达到100torr再继续减小时熔深不再增加,这时达到饱和熔深.当v=0.25m/min,气压p=760torr时熔深为1.8mm.当压力更小时,熔深为4mm,这时已实现深熔焊.
图2 熔深和焊速的关系 图3 气压对熔深的影响(He气)图4是N2气情况下气压和熔深的关系,其曲线变化规律与He气相似.但实现饱和熔深的N2气压力为10torr,这一点与He气100torr不同.
图4 气压对熔深的影响(N2气) 图5 气压对熔深的影响(Ar气)
172 佳木斯大学学报(自然科学版) 2001年图5是Ar气情况下气压和熔深的关系,气压增加熔深减小,但与上述两种气体不同的是:实现饱和熔深气体压力小于0.1torr;饱和熔深比较小.可见,气压不仅对工件表面观察到的等离子体有影响,同时对小孔内部的等离子体也有影响.
2.2 气体压力和种类与等离子体行为2.2.1 气体压力对等离子体的影响图6是不同气压下,不同气体种类下等离子体的形态,当气压较小时等离子也少,获得的熔深较大.本实验中He气和N2产生的等离子体的临界值是100torr,而Ar气产生的等离子体其临界压力是0.1torr,这一压力数值与焊缝饱和熔深有关.这说明等离子体在一定程度上影响焊缝熔深.对He气和N2产生的等离子体仅在工件表面附近,而Ar气产生的等离子体当压力为760torr时不仅在工件表面,在工件上部一定高度处也很明显.实验观察到气压大,则熔深浅,等离子体多.这是因为从小孔中产生的金属蒸汽及等离子体在向外喷射的过程中和气体原子发生弹性碰撞失去了能量.能量的传播模式随气压的不同而不同.当气压高达760torr时金属蒸汽和等离子体喷射传播平均自由路径小,和气体原子的碰撞机会大,因此,包含在金属蒸汽和等离子体中的能量限制在小孔附近.另一方面,当气压低于0.1torr时,金属蒸汽及等离子体平均自由路径长,包含在金属蒸汽和等离子中的能量从小孔中快速喷出,和气体碰撞机会减小,则产生的等离子体少[6].由于激光束被等离子体反射和吸收,当等离子体多时,激光束穿过等离子体时将变细,从而获得的熔深较浅.
图6 激光诱导等离子体行为(p=1.5kw v=0.25m/min)a)p=0.1torr b)t=100torr c)t=760torr (上He气,中N2气,下Ar气)2.2.2 气体种类对等离子体形态的影响等离子体产生的数量和气体的电离能和原子量有关[7].表3是三种气体电离能,原子量和电导率,Ar气情况下产生的等离子体多,Ar原子的电离能低,在高温下容易转变形成等离子体,从小孔中喷出的等离子体易于维持.同时Ar的原子量大运动速度慢,热导率低,也使等离子体易于产生.实际上,等离子体产生是一个循环往复的过程[7].表3 电离能和原子量电导率
气体原子量热导率电离能k/cm・s・℃(ev)He434.4×10-624.46N2145.45×10-614.48Ar403.88×10-615.69
173第2期 曹丽杰等:气体对激光焊接熔深和等离子体行为的影响3 结 论通过对气体种类和压力对CO2激光焊诱导等离子体行为的影响的分析,得出如下三点结论:1)保护气体压力减小,熔深变大,且达到饱和熔深.饱和熔深分别为He≤100torr,N2≤10torr,Ar≤0.1torr.2)气体压力减小,工件表面的等离子体数量少.当N2≤100torr,Ar≤0.1torr时,观察不到等离子体现象.3)气体原子的电离能越低,原子量越大,产生的等离子体越多.Ar气情况下等离子体多于He和N2.
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EFFECTOFGASONPENETRATIONDEPTHANDPLASMABEHAVIORCAOLi-jie, ZHANGChao-min(JiamusiUniversity,Jiamusi154007,China)ABSTRACT: Acontinuous-wavedCO2lasermachineof1.7kWwasusedtoweldSUS304austeniticstainlesssteel.Theeffectsofdifferentkindsofgasesandtheambientpressureonpenetrationdepthareanalyzed.Ahigh-speedcamerawasusedtotakethepicturesoftheplasmainordertostudythebehavioroftheplasma.Theresultsuggeststhatthelessthegaspressure,thethinkerthesaturationdepth.Meanwhile,thequantityoftheplasmaisdecreaseswithpressuredecreasing.TheplasmaisevidentundertheconditionofArgas.KEYWORDS: laserwelding;gaskindsandpressure;plasma
174 佳木斯大学学报(自然科学版) 2001年