论文题目: 基于“三明治”新方法的激光深熔焊接小孔效应的模拟研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 张屹
导师: 李力钧
关键词: 激光深熔焊接,小孔效应,理论模型,三明治方法
文献来源: 湖南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 激光焊接已经成为了现代工业中一种标准加工工艺,并且由于其高精度、低变形、高效率、可焊接难焊接材料以及良好的加工柔性使得CO2激光焊接的应用越来越广泛。在激光焊接中,当一束高能量密度激光束（一般能量密度在106 W/cm2以上）照射到工件表面上,材料将局部加热和汽化,并在蒸汽压力和束流压力的作用下形成一个细长类似圆柱形的小孔,同时还在小孔内部和上面伴随产生了大量高电量的光致等离子体,分别称作小孔内的孔内等离子体和小孔外的等离子体云。激光焊接中,光致等离子体的产生,尤其是小孔外闪烁的明亮蓝色等离子体云,影响着激光焊接过程的进行。严重时,等离子体云甚至会对激光束产生反射和离焦,阻隔激光束的传播,从而导致熔深不足、过烧、焊缝形状波动且不规则,或者损伤聚焦光学镜片; 而小孔孔内的孔内等离子体却对激光与材料的能量耦合起着非重重要的作用。激光深熔焊接的本质特征是存在着小孔效应。小孔包含于金属之中,不易观测,因此对小孔形状的观测和对孔内等离子体测量的研究甚少。本文创造性地提出了一种激光焊接“三明治”试件的全新的研究方法,即激光深熔焊接被两片GG17玻璃夹持的铝膜,以实现直接观测深熔焊接时的小孔和孔内等离子体,以及模拟主平面内的反射吸收过程。为了满足试验的特殊要求,精心地设计了一套试验装置,主要包括:1)额定功率为1000W的PHC-1000型准封离型连续CO2激光器能稳定输出基模高斯光束; 2)适用于测量孔内等离子体电子温度和电子密度的CCD棱镜光谱分析仪及相关的光谱采集和数据后处理软件; 3)遮挡孔外等离子体云的专用焊接夹具。论文首先采用高速摄影法清晰、完整地观测了激光深熔焊接“三明治”试件时的小孔形状; 采用光谱分析法测定了孔内等离子体的电子温度和电子密度。试验结果显示:1)GG17玻璃在近紫外区为连续谱线,且对近紫外区光没有选择性吸收,不会给试验测量小孔孔内铝等离子体的光发射特征谱线带来额外的干扰。2)专用焊接夹具的使用成功地避免了在测量孔内等离子体时孔外等离子体云的干扰。3)在各焊接工艺参数的所有试验水平范围内,离焦量对熔深影响最大,焊接速度对熔深的影响最小,保护气体流量对熔宽的影响最大,焊接速度对熔宽的影响最小。4)小孔孔内铝等离子体的温度在14000K～18000K之间变化,电子密度从1.2×1017cm-3到2.5×1017cm-3之间变化,论证了焊接工艺参数对小孔孔内铝等离子体的温度影响很大,且孔内等离子体与孔外等离子体云的微观参
论文目录:
摘要
Abstract
插图索引
附表索引
符号表
第1章 绪论
1.1 激光深熔焊接概述
1.1.1 两种模式的激光焊接
1.1.2 小孔效应
1.1.3 特点
1.1.4 影响熔深的因素
1.1.5 应用
1.2 研究现状
1.2.1 小孔形状及 Fresnel 吸收
1.2.2 孔外等离子体云
1.2.3 孔内等离子体
1.2.4 传热性研究
1.3 现研究中存在的问题
1.3.1 小孔的形状及其影响因素
1.3.2 孔内等离子体的观测
1.3.3 激光能量的传输过程
1.3.4 传热性研究
1.4 本文研究的内容
第2章 光谱分析系统的设计
2.1 光谱分析仪色散系统设计和光学参数的确定
2.1.1 准直组件
2.1.2 色散组件
2.1.3 成像组件
2.2 光谱信号的采集
2.2.1 CCD 技术在光谱仪中的应用
2.2.2 面阵 CCD 的标定
2.3 光谱数据的后处理
2.3.1 光谱中心波长位置的确定
2.3.2 棱镜光谱仪的实际分辨率
2.3.3 软件系统的开发
2.4 本章小结
第3章 PHC-1000 CO_2激光器及其光束模式
3.1 焊接用 PHC-1000 CO_2激光器的研制
3.1.1 激光器结构
3.1.2 激光器谐振腔及其输出特性
3.1.3 激光器的稳定性及调节
3.2 光束模式的测量
3.2.1 Laserscope UFF100 光斑诊断仪简介
3.2.2 数据采集
3.2.3 测量结果
3.3 本章小结
第4章 孔内等离子体温度和电子密度的试验测定
4.1 试验的理论分析
4.1.1 局部热力学平衡
4.1.2 等离子体温度计算
4.1.3 电子密度的计算
4.2 试验装置及试验材料
4.2.1 电控位移台
4.2.2 试验材料的选择
4.2.3 焊接夹具
4.3 试验方法
4.3.1 试验目的
4.3.2 试验内容
4.3.3 等离子体温度测量方法的选择
4.3.4 正交试验设计及工艺参数选择
4.4 试验结果及其分析
4.4.1 玻璃的连续光谱对测量结果的影响
4.4.2 熔深与熔宽
4.4.3 等离子体温度和电子密度
4.4.4 小孔照片
4.5 本章小结
第5章 激光能量与材料的耦合模型
5.1 引言
5.2 能量耦合模型的特点
5.3 能量耦合模型的几点假设
5.4 能量耦合模型
5.4.1 小孔孔壁的反射系数和吸收系数
5.4.2 等离子体对激光反韧致辐射吸收系数的计算
5.4.3 激光能量在小孔孔壁上的能量分布
5.5 孔壁的热流损失
5.5.1 控制方程
5.5.2 基于 ANSYS 的有限元模型
5.6 计算结果及分析
5.6.1 反韧致辐射吸收的影响
5.6.2 离焦量的影响
5.6.3 孔壁损失的热流密度
5.7 本章小结
第6章 激光深熔焊接的传热模型
6.1 引言
6.2 激光焊接过程的物理描述
6.3 深熔焊接的二维传热模型
6.3.1 二维模型的几点假设
6.3.2 二维模型的控制方程
6.3.3 边界条件
6.3.4 材料热物理参数的确定
6.3.5 基于 ANSYS 的二维有限元模型
6.4 深熔焊接的三维传热模型
6.4.1 三维模型的特点
6.4.2 三维模型的几点假设
6.4.3 三维模型的控制方程
6.4.4 基于 ANSYS 的三维有限元模型
6.5 计算结果与分析
6.5.1 温度分布和速度分布
6.5.2 不同模型间的比较
6.6 本章小结
结论
参考文献
致谢
附录 A 攻读学位期间的成果
A.1 攻读学位期间发表的学术论文
A.2 攻读学位期间的科研成果
附录 B 程序部分源代码
B.1 能量耦合模型 Matlab 程序部分源代码
B.2 二维传热模型 ANSYS 程序部分源代码
B.3 三维传热模型 ANSYS 程序部分源代码
发布时间: 2006-05-10
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