高功率光纤激光深熔焊接厚板的塌陷成因及其控制研究

【摘要】目前，随着商用高功率激光器不断向前发展，光纤激光焊接时功率密度可达到106-108W/cm2，与传统的厚板焊接技术相比，光纤激光焊接具有高速，极小焊后变形等优点，但是高功率光纤激光焊接厚板过程比较复杂，焊接时产生的小孔极不稳定，易产生飞溅、表面塌陷、底部驼峰等焊接缺陷，不仅影响焊缝美观，而且影响了焊缝力学性能。在基于上述背景的情况下，本文针对12mm厚的SUS304不锈钢板的高功率光纤激光焊接过程中，焊缝表面成型质量一致性较差，在实现穿透焊接时容易出现表面塌陷的问题，研究了焊接时孔外等离子体对光纤激光焊接过程的影响，分析了小孔的动态变化及试件内部熔池的流动状况，对表面塌陷产生的机理和控制方法进行了试验研究。(1)分析了高功率激光焊接厚板技术的现状及难点，阐述了高功率激光焊接厚板、激光深熔焊接小孔和熔池的观测以及高功率激光深熔焊接表面塌陷的研究现状，搭建了基于光谱分析和高速相机拍摄的万瓦光纤激光焊接实验平台。(2)借助高速相机拍摄光致等离子体变化过程，直观了解到等离子体波动时间相当短，从产生到消失时间周期大约在550μs左右，其中在产生之后200μs左右时体积增加到最大，且此时亮度最亮。利用多通道光谱仪采集等离子体光谱信号，选用了六条FeI原子谱线作为特征谱线计算了等离子体的温度、密度、压力等参数，计算结果表明孔外等离子体对万瓦光纤激光的作用较小，孔外等离子体压力变化范围不大。(3)基于“三明治”焊接方法利用高速相机拍摄了试件内部熔池以及熔融金属在试件背部的流动状况。讨论了材料本身的气化、焊接位置和焊接速度对表面塌陷的影响，以及熔融金属在试件上下表面的流动状况与表面塌陷的关系，同时研究了塌陷产生的原因。结果表明：激光焊接过程中，材料的气化损失较小，由水平焊接位置到竖直焊接位置的过程中，表面塌陷平均深度逐步减小，塌陷最深点出现的位置不同，焊接速度越小，表面塌陷越严重。上表面飞溅及底部驼峰的形成，都导致了上部熔池冷却时熔融金属不足，最终形成表面塌陷。(4)在确定焊接功率及正面保护种类及气流量等工艺参数的情况下，采用改变单一变量方法，讨论了焊接速度、离焦量、背面保护气流量以及对接间隙的变化对焊缝表面质量的影响。结果表明：合理的工艺措施，可有效地改善焊缝质量，优化参数后的焊缝表面光滑、均匀。
【作者】周宇；
【导师】陈根余；
【作者基本信息】湖南大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】激光焊接；表面塌陷；厚板；光谱分析；高速摄像；

【参考文献】
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