304不锈钢薄板激光焊接飞溅形成机理和控制方法及接头性能研究

发布时间：2020-05-05 19:26

【摘要】：304不锈钢主要得益于其良好美观的表面和优异的耐蚀性能及强度,得到越来越广泛的应用。光纤激光焊接具有高功率和高效率等优点,可以更高效率地获得成形优良和高质量的焊缝,因此304不锈钢的光纤激光焊接得到越来越深入的研究。前期实验中发现,对薄板不锈钢光纤激光焊接而言,焊缝背面金属飞溅的产生和接头成形状态不够良好是最主要的焊接缺陷,会严重影响焊缝美观和表面的耐蚀性能,特别是对于不锈钢管焊接而言,背面飞溅难以清理,极大地限制其使用范围。因此,对薄板不锈钢激光焊接过程中背面飞溅的形成机理研究和调配合适的工艺参数以降低甚至避免飞溅的产生具有极为重要的意义。在相同下能量下,对2mm不锈钢在不同焊接速度和激光功率匹配的光纤激光焊接形成的飞溅和释放的光谱信号进行采集,并研究其焊接接头的成形及表面耐蚀性能。结果表明:随焊接速度的提高,焊缝上表面熔宽减小,下表面熔宽逐渐增大;背面金属飞溅的数量和尺寸显著升高,金属蒸汽从焊缝背面喷出和下淌熔池振荡是造成大颗粒飞溅的主要原因;等离子体特征谱线强度逐渐增大而电子温度有下降趋势;焊缝区和飞溅区会降低表面的耐蚀性能,飞溅位置在电化学腐蚀后呈现小而深的蚀孔,蚀孔大小和飞溅尺寸密切相关。对焊接速度为5m/min和6m/min的焊接过程,通过改变入射激光方向和离焦量实现焊缝成形和背面金属飞溅量的变化。试验结果表明:光沿焊接方向正向入射时,增加正离焦量有利于减少匙孔下方的金属蒸汽喷发量,有助于在高速焊接时降低焊缝背面的金属飞溅量,有利于改善接头成形;激光反向入射时对焊缝下表面熔宽影响较小,对熔池干扰更强烈,会增加背面飞溅的产生。本文结合焊接接头成形和背面金属各类飞溅形成的条件,提出了不同焊接速度和激光功率下的熔池流动和金属蒸汽变化模型,分析了薄板激光焊接背面飞溅形成的机理,分析了离焦量和入射激光角度对熔池流动的作用机制。
【图文】：

激光加工技术,汽车制造

SUS304 不锈钢以其良好的表面美观性、耐蚀性以及机械特性，在生物工航空、常压容器等领域中得到越来越广泛的应用[1]，也大量应用于汽车行业排气系统、车架、装饰、燃油箱等[2]。激光是原子核电子受激辐射经光放大而形成的光辐射，由于其具有的高光方向性、单色性和相干性等特点使激光技术就得到蓬勃发展，如激光焊接技激光切割技术等。现在使用的光纤激光器使用的增益介质是掺稀土元素的玻纤，在泵浦光的作用下，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁，造成激作物质的激光能级“粒子数反转”，反转粒子从激发态跃迁回基态时以光子的释放能量，，形成激光[3]。激光器也由于它的高效率、高功率、高光束质量受来越多的关注与青睐，逐渐成为理想的焊接热源[4]。随着激光加工技术的发展，其在汽车制造领域中也得到越来越广泛的应由于其高效和精准性，可极大地改善汽车产品更新周期长的问题。根据统计车车身制造过程中使用激光技术，可使汽车生产周期缩短 50%，节省约 60%车身开发模具和 70%的夹具，减少 20%的白车身重，白车身总体质量以及制度得到显著的提高[5]。在车身制造中激光加工技术的使用范围如图 1-1 所示。

激光焊,薄板,能量密度

上海交通大学硕士学位论文激光焊接具有能量密度高、单位焊接热输入小、焊接变形小、焊缝深宽接参数易于控制等特点，广泛地应用于不锈钢的高速焊接。光纤激光器结O2激光器高光束质量和 YAG 激光器波长短、可光纤传输等优点，得到了泛的应用。但由于光纤激光焊接能量密度高，材料蒸发强烈，引起焊接熔孔剧烈波动，会导致焊接过程中产生大量金属飞溅[6]。本课题进行过程当焊接收集到的飞溅状态如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.11

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