基于底部气压法的厚板高功率激光焊接工艺研究

发布时间：2020-08-31 13:03

　　由于激光深熔焊接模式具有热输入量小、焊接精度高、残余应力低、深宽比大、易于自动化控制等优点,在厚板焊接领域具有极其广泛的应用前景,但是目前对于高功率激光深熔焊接厚板工艺和缺陷产生机理及抑制手段方面尚待深入研究,尤其是高功率激光全穿透焊接15 mm以上的厚板时容易出现的塌陷问题,目前解决的手段有限,阻碍了激光焊接厚板的广泛应用与发展。为了有效解决厚板焊接中容易出现塌陷缺陷的问题,本文搭建了拥有高速相机系统的基于底部气压法的高功率激光焊接厚板试验平台,以16 mm厚的316L不锈钢和20 mm厚的316LN不锈钢为试件开展了厚板激光焊接试验研究。(1)介绍了高功率激光焊接厚板的优势和目前的研究现状及存在的问题,阐述了目前针对厚板焊接过程中出现的熔池塌陷问题的解决方案及其缺点。搭建了拥有高速相机系统的基于底部气压法的高功率激光焊接厚板试验平台。(2)借助高速相机拍摄系统观测了无辅助支撑条件下厚板焊接过程中塌陷的形成过程,并认为塌陷产生的原因主要是由于熔池下表面的表面张力无法平衡其受到的重力和动压力,但在不同材料焊接过程中的动压力在产生塌陷的原因上所起的作用不同;通过采用本文提出的底部气压法实现了对熔池塌陷的良好抑制效果,分析了底部表压力的大小对焊接过程的影响规律,表明当底部表压力等于重力时,焊缝成形质量最高;在不同的融透状态下及焊接接头存在间隙的情况下底部气压法都得到了良好的应用。(3)基于单因素变量试验方案,研究了激光功率、离焦量和焊接速度对表面飞溅、焊缝均匀等表面成形质量和熔深、熔宽等横截面成形质量的影响规律,通过优化工艺参数得到了成形质量较高的焊接接头。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG456.7
【部分图文】：

激光深熔焊

背景及意义原理自从 1916 年被爱因斯坦发现后，到 1960 年激光被首次有了激光这一极高质量的光源，它开创了一系列的新兴研们有效地利用先进方法获得空前的成果，从而促进生产力、通信等众多行业造成重大的影响。随着科技的进步，激于传输控制、适应性好等众多优点被不断发掘应用[1,2]。接是激光技术应用的一个重要领域。其具有热输入量小、焊、深宽比大、易于自动化控制等优点得到了广泛的开发应和结构特殊的焊接领域，目前已成功应用在航空、车辆、领域，受到世界各地的重视[3,4]。依据焊接过程中传热机制为激光热传导焊接与激光深熔焊接两种焊接的模式[5]。在激光能量的吸收模式和焊缝成形的效果完全不同，如图 1

高功率激光焊接,典型缺陷,厚板

的反冲压力进一步加深了小孔的深度，维持小孔的存在。同时，孔内汽化的金属蒸汽在激光光束的作用下产生了电离，使得孔内形成等离子体，小孔效应的产生是辨别深熔焊接的最直接依据[9, 10]。激光深熔焊接过程相比于激光热传导焊接过程涉及到的物理因素更为复杂，对焊接过程中的机理，如孔内激光能量的吸收、小孔的稳定、熔池的流动以及如飞溅、塌陷、驼峰等焊接缺陷产生的原因，尚有待研究[11]。随着激光制造技术的不断发展，高功率激光器不断出现，其超高的激光能量密度使得焊接时可以形成超细长的小孔，提高了单道激光的可焊接厚度，为实现高精度、高要求的厚板焊接提供了新的技术手段。但由于在高功率厚板焊接中，超高的激光能量密度使得焊接中能量的吸收、小孔的稳定、熔池的流动等行为相较于低功率薄板焊接复杂的多。高功率厚板深熔焊接过程中孔内材料的汽化现象非常剧烈，使得维持小孔的稳定异常艰难，而由于焊接厚度的增加，熔池的流动行为也更为复杂。在高功率厚板激光深熔焊接过程中，较难获得成形质量较高的焊接接头，容易产生诸如飞溅、塌陷、驼峰等缺陷[12]，如图 1.2 所示。

激光深熔焊接,熔池,流动状态,钼粉

存在着对流[33]，如图1.4所示。Mitkevich等人通过将钼粉加入石英材料中，通过观察激光焊接过程中钼粉的流动行为来反应熔池的流动，也得到了如图1.4所示的熔池流动行为[34]。Matsunawa等人通过高速摄影的办法，和X射线透射成像系统相结合观察了激光焊接过程中熔池和小孔的动态变化过程，发现高功率激光深熔焊接过程中熔池处在不断波动的不稳定状态[35]。

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