CO2激光深熔焊不稳定穿孔过程特征与相关机理研究

论文摘要

在实际零部件的激光焊接中,由于过程的不稳定现象而严重影响到焊接质量是经常遇到的难题,因而过程的稳定性控制一直是激光焊接的重要研究方向。目前在国内外的相关研究中,比较关注的不稳定过程主要有:因CO2激光功率密度过高造成等离子体屏蔽而引起的不稳定现象、因焊接工艺参数的波动而引起的不稳定现象、由于焊接模式在热导焊和深熔焊之间来回跃变而引起的不稳定现象。但是,在实际焊接中更多的情况是全熔透焊接时出现的不稳定穿孔现象,它会造成焊缝背面熔透与未熔透间的跳变、焊缝中气孔等缺陷增加。本文在归纳分析前人有关激光焊接不稳定现象研究基础上,认为不稳定穿孔形成与焊接过程中熔池、“小孔”、金属蒸气/等离子体相互作用及特征变化紧密相关。因而采用试验与理论分析相结合的方法,研究了激光深熔焊接不稳定穿孔的过程特征,通过不稳定穿孔形成机理、判断条件以及监测方法的研究,为实际工程中获得高质量的激光焊接结构提供了可借鉴的理论基础。本文在对激光深熔焊接过程光谱特征分布研究的基础上建立了包括高速摄像、声信号、可见光、红外光信号在内的激光深熔焊过程试验系统,并通过在系统中应用多种滤光技术,实现了对CO2激光深熔焊中金属蒸气/等离子体、“小孔”、正背面熔池以及穿孔等多种瞬态过程图像和信号的监测,为研究激光深熔焊接不稳定时的过程行为提供了可靠的试验监测技术。研究发现,金属蒸气/等离子体的变化存在周期性,在304不锈钢氩保护焊接时,有两段明显的频率分布带,即100Hz～500Hz带和1500Hz～3500Hz带,分别表征了“小孔”和熔池上方的金属蒸气/等离子体的变化频率。而背面穿孔研究结果证实,穿孔周期主要分布在2ms～6ms之间,即与“小孔”内部的金属蒸气/等离子体变化相一致。在不稳定穿孔时,存在熔池背面金属蒸气/等离子体时有时无两种特征过程交替现象。全熔透焊时正背面熔池的实测特征数据和变化规律的研究表明,熔池区域高温停留时间与焊接参数紧密相关,一般在几百毫秒的量级;熔池的流动性与“小孔”开合时的蒸气力密切相关;表征全熔透焊不稳定穿孔较合适的参量是背面熔池长度。由此认为,控制焊接中能使背面熔池长度达到一定阈值的焊接线能量是维持穿孔稳定的有效途径,而影响此焊接线能量阈值的因素主要为保护气体的种类和激光功率密度。对穿孔过程中力学效应的研究表明,形成不稳定穿孔的主要机理是穿孔与未穿孔的交替及穿孔蒸气压力过大。依据熔池背面穿孔过程与弯曲液面附加压力关系模型,此时蒸气压力的大小与背面熔池的宽度和长度密切相关。通过对激光焊接不稳定穿孔过程的实验研究和理论分析计算,本文提出背面熔池红外信号测量和正面多传感器信号融合两种不稳定穿孔过程实时判别方法。利用这两种判别方法,对304不锈钢的焊接过程进行判断,结果显示,在本文的研究条件下,对单条焊缝和不同的焊缝分类识别率都接近100%。综合以上研究结果,在激光全熔透焊接过程中,严格选择焊接参数,在焊接过程中维持合理的背面熔池长度,既可获得稳定的穿孔过程,亦可降低气孔等缺陷产生的概率,同时也能控制焊缝的组织形成,对此进一步的研究,将为实际焊接过程的质量严格控制提供理论基础和实施方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 激光深熔焊过程的不稳定现象及其研究现状
• 1.2 激光深熔焊过程特征及研究方法
• 1.3 激光深熔焊过程特征与不稳定性研究相关基础
• 1.4 课题研究目标和主要内容
• 2 激光深熔焊过程的光谱特征
• 2.1 前言
• 2.2 试验方法和设备
• 2.3 试验材料
• 2激光深熔焊稳定穿孔过程的发射光谱特征'>2.4 CO₂激光深熔焊稳定穿孔过程的发射光谱特征
• 2激光深熔焊不稳定穿孔过程的发射光谱特征'>2.5 CO₂激光深熔焊不稳定穿孔过程的发射光谱特征
• 2.6 影响激光深熔焊过程特征光谱分布的主要参量
• 2.7 本章小结
• 3 过程信号测试方法及装置的设计
• 3.1 前言
• 3.2 声光信号实时监测装置设计
• 3.3 高速图像采集系统
• 3.4 本章小结
• 2激光深熔焊穿孔不稳定过程的金属蒸气'>4 CO₂激光深熔焊穿孔不稳定过程的金属蒸气
• 4.1 前言
• 4.2 稳定穿孔时金属蒸气/等离子体的变化特征及形成机理
• 4.3 不稳定穿孔过程金属蒸气/等离子体的特征
• 4.4 焊接参数对金属蒸气/等离子体行为的影响
• 4.5 本章小节
• 2激光深熔焊不稳定穿孔过程的“小孔”特征'>5 CO₂激光深熔焊不稳定穿孔过程的“小孔”特征
• 5.1 前言
• 2激光深熔焊“小孔”的特征'>5.2 CO₂激光深熔焊“小孔”的特征
• 2激光深熔焊不稳定穿孔过程的特征'>5.3 CO₂激光深熔焊不稳定穿孔过程的特征
• 5.4 本章小结
• 2激光全熔透焊不稳定穿孔过程熔池的特征'>6 CO₂激光全熔透焊不稳定穿孔过程熔池的特征
• 6.1 前言
• 2激光全熔透焊接熔池的基本特征'>6.2 CO₂激光全熔透焊接熔池的基本特征
• 2激光焊接过程穿孔不稳定熔池的三维特征'>6.3 CO₂激光焊接过程穿孔不稳定熔池的三维特征
• 6.4 影响熔池三维特征的主要因素探讨
• 6.5 本章小结
• 2激光深熔焊不稳定穿孔产生机理及信号诊断方法'>7 CO₂激光深熔焊不稳定穿孔产生机理及信号诊断方法
• 7.1 前言
• 2激光全熔透焊接不稳定穿孔形成机理'>7.2 CO₂激光全熔透焊接不稳定穿孔形成机理
• 2激光全熔透焊接穿孔稳定性的因素及机理'>7.3 影响CO₂激光全熔透焊接穿孔稳定性的因素及机理
• 2激光全熔透焊接不稳定穿孔过程信号诊断'>7.4 CO₂激光全熔透焊接不稳定穿孔过程信号诊断
• 7.5 本章小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ攻读博士学位期间发表的论文
• 附录II 攻读博士学位期间参加的科研工作