激光深熔焊接铝合金孔内菲涅尔吸收研究

发布时间：2020-06-08 02:01

【摘要】：本文阐述了激光深熔焊接机理(小孔效应),从小孔形貌及孔内菲涅尔吸收这一角度讨论了小孔效应的研究现状及存在的主要问题。由于焊接材料的不透明性,现阶段实验研究很难观测到真实的小孔形貌,而在高度简化的小孔模型基础上进行的菲涅尔吸收研究也难有说服力。为了解决相关问题,本文通过实验和模拟相结合的研究方法深入系统地研究了激光深熔焊接中的小孔形貌和孔内菲涅尔吸收。首先,运用独特设计的实验方法,实现同时从顶面和侧面拍摄激光深熔焊接铝合金过程中小孔形貌照片,并且首次保证了侧面观测的小孔形貌是焊接速度方向对称面上的小孔形貌。结果发现:在焊接速度的反方向上,小孔轻微弯曲,小孔横截面一定程度拉长。首次对实验所用的激光器进行了实验测试,计算确定了该激光器的激光功率密度分布。其次,首次在小孔任意深度处横截面轮廓与工件顶面小孔轮廓相似的假设下,重构了激光深熔焊接过程中的3D小孔。运用有限元的思想,离散了激光束,并采用几何光学近似的方法,追踪了激光在3D小孔内的多重反射过程,同时推导了多重反射过程中孔壁菲涅尔吸收的计算公式。然后,计算和分析了孔内菲涅尔吸收的功率密度分布情况及其影响因素。由于小孔伸长,在小孔上部,左右孔壁上菲涅尔吸收的功率密度大于前后孔壁上菲涅尔吸收的功率密度。由于小孔弯曲,在小孔中部和下部,前壁上菲涅尔吸收的总功率密度明显大于小孔后壁和侧壁上菲涅尔吸收的功率密度。因为激光的多次反射将激光能量传输到了小孔底部,所以小孔底部孔壁上菲涅尔吸收的功率密度比小孔其它部分高很多。综上所述:菲涅尔吸收的总功率密度分布不均匀,激光的多次反射是影响菲涅尔吸收功率密度分布的最主要因素。通过菲涅尔吸收,小孔底部孔壁上的功率密度非常高,所以小孔底部的材料大量汽化,形成了巨大的反冲压力,在反冲压力的作用下,小孔内压力和能量平衡得以维持,小孔存在得以保证。菲涅尔吸收在激光深熔焊中起了关键性的作用。
【图文】：

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美国研制出了世界上第一台激光器。直到现在，激光技各个领域中发挥着巨大的作用。随着激光技术的发展，激低功率到高功率、低速到高速、低频到高频、薄板到厚板展[1 ]。随着激光焊接技术的发展，激光焊接技术得到了航空航天、加工制造、医学等多个相关领域。焊接模式接通常按激光焊接过程中是否有小孔(keyhole)产生，分为(Heat Conduction Welding)和深熔焊接(Deep Penetration W式的能量耦合机制、焊缝形成机理、焊接效果以及应用都焊接是用高功率密度激光，直接照射焊接材料的待焊区，吸收激光中的能量，从而温度迅速升高，使材料熔化甚至射材料的过程中，激光会反射、折射，激光能量以及高温熔了不同激光功率密度下激光焊接的示意图。

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面张力和熔池流动阻力平衡时，小孔形成(keyhole)。小孔的形成有利于激光能的吸收，并且将大量的能量直接传送到工件内部，使工件内部的焊接材料直接收能力从而被焊接。这种存在小孔的焊接为激光深熔焊接。当激光功率密度继续升高到 5.0×107以上，焊接工件会被强烈汽化，属气体被高度电离，形成高浓度的等离子体云。激光束穿过高浓度的等离子体时，将进行反射、散射和散焦，激光束的传输被干扰，造成熔池深度不足、焊效果变差，难以达到预期的实验目的。激光的反射还有可能损坏激光头内部的护镜片。图 1.2 是激光深熔焊接原理图。就焊接工件对激光能量的吸收来说，小孔出现是激光深熔焊接最重要的特点。小孔出现前，温度对激光能量吸收率影响大，温度升高，激光的能量的吸收率变化却不明显。工件被汽化形成小孔，金气体被电离形成等离子体后，激光能量的吸收率产生了巨变，几乎接近了 100%此时，激光波长、材料的物理特性和物理状态已经不能影响激光能量吸收率，激光在小孔内的行为决定了激光能量的吸收。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.7

【参考文献】