基于能量分布调控的中厚板激光焊接质量优化研究
发布时间：2020-12-23 22:46
激光焊接以高能流密度的激光束作为加热热源,可极大地提升焊接精度及效率。随着新型大功率激光器的研发及应用,进一步推动激光焊接在航空航天、核电、汽车等工业领域的广泛应用,激光焊接质量优化控制的重要性正变得日益突出。实际应用中,常规连续激光焊接方法存在着焊缝成形控制难度大,易产生气孔缺陷,激光热源加热熔化区域小而不适于熔合宽度较大的焊缝等问题,显著影响激光焊接质量。激光焊接质量优化可通过选择合适的激光光斑尺寸及模式、光斑轮廓形状整形、双光束焊接等静态调控方法,还可采用脉冲激光及摆动激光等动态调控方法。目前关于脉冲/摆动激光调控方式的研究并不系统,相应的焊接质量优化机制仍不明确。本文主要对脉冲/摆动激光焊接过程中激光能量分布规律、焊缝成形与气孔缺陷、以及熔池熔化特性等开展系统的研究,进一步在激光能量分布调控的基础上进行了窄间隙激光焊接质量优化研究。首先研究了脉冲激光调控方式中主要脉冲参数对激光能量分布规律的影响,并对比分析不同脉冲焊接条件对熔化特性及焊接质量的影响。脉冲调控方式能从一个维度上改变激光能量分布形式,可通过改变脉冲频率与占空比产生多种不同的激光能量分布形式。随着脉冲频率的增加,激光...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光与材料相互作用过程中不同效应[8]
第1章绪论-3-激光与材料之间所产生的加热效应主要受激光能流密度及激光与材料之间相互作用时间影响，两者之间存在着明显的组合区间对应着将会产生的加热效应，如图1-2所示。图1-2激光能流密度及作用时间对激光加热机制的影响[9]Fig.1-2Effectoflaserenergyfluxandactiontimeonlaserheatingmechanism激光束与材料之间的相互作用机制是各种激光加工应用的基础，其主要受激光束自身特性、材料的性质与状态及加工环境等因素影响。如表1-1所示，列出了影响激光与材料之间相互作用的主要因素。表1-1激光与材料相互作用主要影响因素[10,11]Table1-1Maininfluencingfactorsofmaterialinteractswithlaserbeam类型变量激光参数工作模式（连续波、脉冲），波长（紫外、可见、红外），激光强度（功率、能流密度），停留时间，入射角，光束轮廓（高斯、多模、平顶/尖顶），聚焦条件（正负离焦量），空间和时间相干性，光斑大小，激光光斑重叠尺寸，行间重叠尺寸，扫描速度，扫描重叠率，脉冲变量（脉冲波形、脉冲幅度、脉冲上升时间、脉冲下降时间、脉冲宽度即持续时间、脉冲占空比、脉冲重复周期、脉冲数），摆动变量（摆动幅度、摆动频率、摆动轨迹）材料性质光学：吸光率，透射率，反射率热物理性质：导热系数，扩散系数，比热容，热膨胀系数，抗冲击能力，相变温度，熔点，沸点，密度，屈服强度，延性/脆性化学性质：组成成分（溶质、溶剂、杂质），相结构（非晶、晶态）、微观结构（组织形貌、晶粒尺寸、晶界、晶格缺陷、孔隙率），冶金反应其他基材性能，基材温度，表面粗糙度，材料厚度及结构，加工环境（空气/其他气体/真空，磁场，超声振动）
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-6-射过程能量损失较小而比较常见[19]。图1-3以激光衍射能量损耗减小顺序排列前六种激光光斑及能流密度分布[19]Fig.1-3Computedspotpatternsandtheoreticalbeamirradianceprofilesoflasermodesinorderofincreasingdiffractionlossforacircularlimitingaperture(a)Computedspotpatternswithlowestdiffractionloss,(b)Theoreticalbeamirradianceprofiles为了科学、客观地评价激光器输出光束的特性，人们提出了激光光束质量的概念，用来评价激光器的空间光束特性。起初，人们主要是利用激光束聚焦光斑尺寸作为激光光束质量的评价参数，具体地可以用功率通量法来定义激光光斑的尺寸，也是一种ISO推荐的定义光斑半径的方法，在实际应用中具有很重要的意义，其具体定义为：对于圆对称光束，在垂直于光轴的平面内，定义包含u%（一般将u%选取为211e，其约等于86.5%）激光束总功率的圆的半径为光斑半径。聚焦光斑尺寸方法虽然简单，但仍存在一些问题，主要是对于一个特定的激光束聚焦光斑尺寸并不是一个固定不变的变量，而是随着所用光学系统的不同而会发生改变，仅用聚焦光斑尺寸一个评价参数作为光束质量判据是不准确充分的。直到20世纪90年代初A.E.Siegman学者提出了一种光束强度矩的理论，并在此基础上定义了激光器的M2因子，用来表征不同类型激光器的光束质量[20,21]。M2因子不但引起了人们的广泛关注，同时ISO也在此基础上制定了激光光束质量参数评价和测量的国际标准，对于绝大多数激光器而言，M2因子是一个较好的反映激光束光束质量的参数，其同时包含了光束的近场特性和远场特性，因此也正在被广泛采用，其具体的定义是实际激光束的光束参数积与理想的基横模高斯光束的光束参数积之比，是一个无量纲的不?
【参考文献】：
期刊论文
[1]能量比对双光束激光焊接特性的影响[J]. 马国龙,李俐群,陈彦宾. 中国激光. 2017(03)
[2]单/双光束激光焊接熔池行为及焊缝成形特性比较[J]. 马国龙,李俐群,陈彦宾. 中国激光. 2017(02)
[3]50mm转子钢超窄间隙激光填丝焊接头组织与性能[J]. 赵勇,王清曌,黄坚,吴毅雄. 中国激光. 2015(02)
[4]Nd∶YAG脉冲激光焊接TC4时峰值功率、脉宽对焊缝成形的影响[J]. 胡玉,张健,谭小军,郭亮,张庆茂. 应用激光. 2014(05)
[5]双光束激光填丝焊工艺对铝合金焊接气孔率的影响[J]. 雷正龙,李颖,陈彦宾,孙忠绍,张益坤. 焊接学报. 2013(02)
[6]不等厚板双光束激光焊接研究[J]. 李俐群,张新戈,戴景民,夏昌兴,陈彦宾. 应用激光. 2010(06)
[7]奥氏体不锈钢丝激光焊接头的组织与力学性能[J]. 李洪梅,孙大千,王文权,宣兆志. 焊接学报. 2009(06)
[8]铝合金脉冲YAG激光焊脉冲调制参数对焊缝形状参数的影响[J]. 张婧,单际国,雷祥,谭稳达,陈武柱. 焊接学报. 2008(03)
[9]高能束焊接数值模拟中的新型热源模型[J]. 吴甦,赵海燕,王煜,张晓宏. 焊接学报. 2004(01)
博士论文
[1]双焦点光纤激光焊接特性及熔池行为研究[D]. 马国龙.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于纳秒激光冲击波效应的金属表面形貌与性能研究[D]. 戴峰泽.江苏大学 2014
[3]铝合金机身壁板结构双侧激光焊接特征及熔池行为研究[D]. 杨志斌.哈尔滨工业大学 2013
[4]激光填丝焊的焊丝熔入行为及工艺研究[D]. 余阳春.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]钛合金/铝合金脉冲激光焊接头组织与力学性能研究[D]. 陈纪宇.吉林大学 2019
本文编号：2934469
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光与材料相互作用过程中不同效应[8]
第1章绪论-3-激光与材料之间所产生的加热效应主要受激光能流密度及激光与材料之间相互作用时间影响，两者之间存在着明显的组合区间对应着将会产生的加热效应，如图1-2所示。图1-2激光能流密度及作用时间对激光加热机制的影响[9]Fig.1-2Effectoflaserenergyfluxandactiontimeonlaserheatingmechanism激光束与材料之间的相互作用机制是各种激光加工应用的基础，其主要受激光束自身特性、材料的性质与状态及加工环境等因素影响。如表1-1所示，列出了影响激光与材料之间相互作用的主要因素。表1-1激光与材料相互作用主要影响因素[10,11]Table1-1Maininfluencingfactorsofmaterialinteractswithlaserbeam类型变量激光参数工作模式（连续波、脉冲），波长（紫外、可见、红外），激光强度（功率、能流密度），停留时间，入射角，光束轮廓（高斯、多模、平顶/尖顶），聚焦条件（正负离焦量），空间和时间相干性，光斑大小，激光光斑重叠尺寸，行间重叠尺寸，扫描速度，扫描重叠率，脉冲变量（脉冲波形、脉冲幅度、脉冲上升时间、脉冲下降时间、脉冲宽度即持续时间、脉冲占空比、脉冲重复周期、脉冲数），摆动变量（摆动幅度、摆动频率、摆动轨迹）材料性质光学：吸光率，透射率，反射率热物理性质：导热系数，扩散系数，比热容，热膨胀系数，抗冲击能力，相变温度，熔点，沸点，密度，屈服强度，延性/脆性化学性质：组成成分（溶质、溶剂、杂质），相结构（非晶、晶态）、微观结构（组织形貌、晶粒尺寸、晶界、晶格缺陷、孔隙率），冶金反应其他基材性能，基材温度，表面粗糙度，材料厚度及结构，加工环境（空气/其他气体/真空，磁场，超声振动）
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-6-射过程能量损失较小而比较常见[19]。图1-3以激光衍射能量损耗减小顺序排列前六种激光光斑及能流密度分布[19]Fig.1-3Computedspotpatternsandtheoreticalbeamirradianceprofilesoflasermodesinorderofincreasingdiffractionlossforacircularlimitingaperture(a)Computedspotpatternswithlowestdiffractionloss,(b)Theoreticalbeamirradianceprofiles为了科学、客观地评价激光器输出光束的特性，人们提出了激光光束质量的概念，用来评价激光器的空间光束特性。起初，人们主要是利用激光束聚焦光斑尺寸作为激光光束质量的评价参数，具体地可以用功率通量法来定义激光光斑的尺寸，也是一种ISO推荐的定义光斑半径的方法，在实际应用中具有很重要的意义，其具体定义为：对于圆对称光束，在垂直于光轴的平面内，定义包含u%（一般将u%选取为211e，其约等于86.5%）激光束总功率的圆的半径为光斑半径。聚焦光斑尺寸方法虽然简单，但仍存在一些问题，主要是对于一个特定的激光束聚焦光斑尺寸并不是一个固定不变的变量，而是随着所用光学系统的不同而会发生改变，仅用聚焦光斑尺寸一个评价参数作为光束质量判据是不准确充分的。直到20世纪90年代初A.E.Siegman学者提出了一种光束强度矩的理论，并在此基础上定义了激光器的M2因子，用来表征不同类型激光器的光束质量[20,21]。M2因子不但引起了人们的广泛关注，同时ISO也在此基础上制定了激光光束质量参数评价和测量的国际标准，对于绝大多数激光器而言，M2因子是一个较好的反映激光束光束质量的参数，其同时包含了光束的近场特性和远场特性，因此也正在被广泛采用，其具体的定义是实际激光束的光束参数积与理想的基横模高斯光束的光束参数积之比，是一个无量纲的不?
【参考文献】：
期刊论文
[1]能量比对双光束激光焊接特性的影响[J]. 马国龙,李俐群,陈彦宾. 中国激光. 2017(03)
[2]单/双光束激光焊接熔池行为及焊缝成形特性比较[J]. 马国龙,李俐群,陈彦宾. 中国激光. 2017(02)
[3]50mm转子钢超窄间隙激光填丝焊接头组织与性能[J]. 赵勇,王清曌,黄坚,吴毅雄. 中国激光. 2015(02)
[4]Nd∶YAG脉冲激光焊接TC4时峰值功率、脉宽对焊缝成形的影响[J]. 胡玉,张健,谭小军,郭亮,张庆茂. 应用激光. 2014(05)
[5]双光束激光填丝焊工艺对铝合金焊接气孔率的影响[J]. 雷正龙,李颖,陈彦宾,孙忠绍,张益坤. 焊接学报. 2013(02)
[6]不等厚板双光束激光焊接研究[J]. 李俐群,张新戈,戴景民,夏昌兴,陈彦宾. 应用激光. 2010(06)
[7]奥氏体不锈钢丝激光焊接头的组织与力学性能[J]. 李洪梅,孙大千,王文权,宣兆志. 焊接学报. 2009(06)
[8]铝合金脉冲YAG激光焊脉冲调制参数对焊缝形状参数的影响[J]. 张婧,单际国,雷祥,谭稳达,陈武柱. 焊接学报. 2008(03)
[9]高能束焊接数值模拟中的新型热源模型[J]. 吴甦,赵海燕,王煜,张晓宏. 焊接学报. 2004(01)
博士论文
[1]双焦点光纤激光焊接特性及熔池行为研究[D]. 马国龙.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于纳秒激光冲击波效应的金属表面形貌与性能研究[D]. 戴峰泽.江苏大学 2014
[3]铝合金机身壁板结构双侧激光焊接特征及熔池行为研究[D]. 杨志斌.哈尔滨工业大学 2013
[4]激光填丝焊的焊丝熔入行为及工艺研究[D]. 余阳春.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]钛合金/铝合金脉冲激光焊接头组织与力学性能研究[D]. 陈纪宇.吉林大学 2019
本文编号：2934469
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