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高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

机械工程学报 2018年第22期54卷 55-62页

作者：刘佳白陈明石岩李忠张宏长春理工大学机电工程学院长春130022 长春理工大学激光加工吉林省高等学校工程研究中心长春130022 长春理工大学国家国际科技合作基地(光学) 长春130022

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明:单独激光焊... 详细信息

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明:单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。

关键词：高氮钢激光-电弧复合焊接熔池流动行为示踪粒子

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TIG焊熔池表面流动行为的研究

机械工程学报 2016年第18期52卷 31-37页

作者：黄健康孙天亮樊丁石玗兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室兰州730050

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊熔池表面流动行为,在确定TIG焊熔池表面可采用粒子示踪的方法来进行其表面流动行为示踪的基础上,在以激光为试验背光光源,通过激光在TIG焊熔池表面镜面反射后,使得熔池及示踪粒子清晰成... 详细信息

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊熔池表面流动行为,在确定TIG焊熔池表面可采用粒子示踪的方法来进行其表面流动行为示踪的基础上,在以激光为试验背光光源,通过激光在TIG焊熔池表面镜面反射后,使得熔池及示踪粒子清晰成像于成像屏上。在此基础上,开展对304不锈钢和Q235普通碳钢的熔池表面流动行为的试验研究,对所获得这两种材料的TIG焊熔池试验数据进行处理与对比分析,探究熔池表面流动规律。研究结果表明:在TIG焊过程中,其焊接熔池存在两种运动模式,在304不锈钢焊接过程中熔池表面的液态金属由边缘向熔池中心流动;在Q235碳钢焊接过程中熔池表面的液态金属不定向、不规则地由熔池中心向熔池边缘流动,并测量304不锈钢TIG焊过程中熔池表面的液态金属流动速率为12 mm/s左右,Q235碳钢的熔池表面的流动速率为15 mm/s左右。

关键词： TIG焊表面示踪熔池镜面反射熔池流动行为

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选区激光熔化温度场与熔池流动行为研究

选区激光熔化温度场与熔池流动行为研究

作者：冯一琦大连理工大学

学位级别：硕士

增材制造技术变革了传统的减材加工方式,对具有复杂几何特征的零件具有较强的加工适用性,在航空、航天、汽车等领域有广泛的应用前景。选区激光熔化作为增材制造技术中的一种,具有精度高、材料利用率高、污染小等优点,但是由于熔池不稳... 详细信息

增材制造技术变革了传统的减材加工方式,对具有复杂几何特征的零件具有较强的加工适用性,在航空、航天、汽车等领域有广泛的应用前景。选区激光熔化作为增材制造技术中的一种,具有精度高、材料利用率高、污染小等优点,但是由于熔池不稳定流动带来的孔型缺陷和球化效应等问题,以及由剧烈变化的温度场引起的残余应力问题,制约了这项技术的广泛应用。因而研究孔型缺陷、球化效应产生机理及准确获取温度场信息,对发展选区激光熔化技术具有重要意义。本文采用离散单元法建立了粉末尺度下的铺粉模型,采用有限体积法建立了熔池流体力学模型和粉层尺度下的温度场模型,利用多尺度建模方法对选区激光熔化过程进行模拟仿真。研究不同底面条件下铺粉后粉末分布情况,使用平均配位数和堆积密度表征粉床的致密度,将铺粉模型模拟结果导入到熔池流体力学模型中预测熔池流动行为;使用堆积密度求解粉层热导率,研究激光功率对温度历程的影响。采用激光共聚焦显微镜和超景深显微镜观测增材件表面成形形貌,采用红外测温试验测量选区激光熔化过程温度历程,验证多尺度模型的可靠性。通过对熔池流动行为的理论及实验分析,建立了熔池流动行为与熔道间未熔合孔洞、球化效应的关系。研究结果表明,增材底面相比平坦底面具有更致密的粉末分布,但增材底面上的熔池流动不稳定,易产生球化;熔道间未熔合孔洞多数位于熔道颈缩处。本文研究内容对选区激光熔化多尺度建模方法的提出和孔型缺陷、球化效应、温度演化过程的研究具有一定的指导意义。

关键词：选区激光熔化红外测温温度场球化效应熔池流动行为

双光束激光焊接熔池流动行为数值模拟及实验研究

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双光束激光焊接熔池流动行为数值模拟及实验研究

作者：毛睿华中科技大学

学位级别：硕士

激光焊接技术广泛应用于材料加工领域,具有热影响区小、焊接精度和自动化程度高、焊接速度快等优点,使得其在汽车制造、航空航天、深海远洋等领域发展迅猛。然而其在实际应用中也常因装配精度要求高、焊接过程中小孔熔池易失稳等问题而... 详细信息

激光焊接技术广泛应用于材料加工领域,具有热影响区小、焊接精度和自动化程度高、焊接速度快等优点,使得其在汽车制造、航空航天、深海远洋等领域发展迅猛。然而其在实际应用中也常因装配精度要求高、焊接过程中小孔熔池易失稳等问题而受到诸多限制。研究发现双光束激光焊接能有效解决以上问题,例如可调节两道光束的能量配比、光斑间距以及排布方式,使得其在保证焊接效率的同时极大提高焊接过程的灵活性。但由于焊接过程中存在两道光束之间的相互作用,熔池流动行为和小孔形貌更加复杂多变。目前关于双光束激光焊接熔池流动行为的研究还不全面,其中已开展的实验研究无法获得焊接过程中熔池小孔行为全部信息,而数值模拟研究较少,无法有效指导双光束激光焊接工艺及质量控制。针对此现状,本文通过实验与数值仿真相结合的方法,研究了不锈钢双光束激光焊接过程中的熔池流动行为,分析光斑间距对双光束激光焊接过程的影响,取得的成果如下:（1）建立了双光束激光焊接数值模型。其中,建立的自适应热源模型考虑了两道光束同时作用下的小孔深度实时变化对焊接热输入过程的影响,同时考虑到双光束激光焊接小孔壁面的复杂演变过程,使用了VOF与LEVEL SET相结合的CLSVOF方法实现了小孔自由界面的准确追踪,实现了小孔壁面处反冲压力和表面张力的准确添加,为研究双光束激光焊接的熔池流动行为奠定基础。（2）进行了双光束的能场分析和不同光斑间距下不锈钢双光束激光焊接数值模拟。发现双光束激光焊接小孔之间熔池扰动沿小孔深度方向始终存在,光斑间距会显著影响双光束激光焊接过程中的熔池小孔形态及稳定性、熔池温度分布以及流动行为,进而总结出光斑间距对双光束激光焊熔池流动行为的影响规律。（3）进行了不同光斑间距下的不锈钢双光束激光焊接工艺实验。通过不同位置高速摄像的拍摄结果分析光斑间距对熔池流动行为和稳定性的影响,并结合对焊缝形貌的观察,建立起光斑间距-熔池流动行为-焊缝成型的关联关系。

关键词：双光束激光焊接光斑间距数值仿真熔池流动行为小孔稳定性

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TIG焊熔池流动行为的试验研究

TIG焊熔池流动行为的试验研究

作者：孙天亮兰州理工大学

学位级别：硕士

随着社会工业水平的进一步发展,追求高效率、高质量的焊接工艺水平日益受到广泛的关注。提高焊接速度、优化填充材料组分等可以有效的得实现工业发展需求,但是随着焊接速度的增加熔池流动行为也变得更为剧烈,与此同时,焊缝中材料组分的... 详细信息

随着社会工业水平的进一步发展,追求高效率、高质量的焊接工艺水平日益受到广泛的关注。提高焊接速度、优化填充材料组分等可以有效的得实现工业发展需求,但是随着焊接速度的增加熔池流动行为也变得更为剧烈,与此同时,焊缝中材料组分的复杂化也将会使得熔池中流动行为更加复杂化。熔池的流动行为又直接影响到焊缝宏观成形、微观组形态、元素扩散迁移、合金元素的稀释等,这些会对焊缝接头的性能产生至关重要的影响,因此,对于焊接熔池流动行为的研究有着重大意义。本文为了探究熔池流动行为,以TIG焊作为焊接工艺试验方法,采用可视化粒子跟踪方法作为研究主线。基于这一主线,搭建了熔池激光反射可视化研究平台,在所搭建的平台的基础上,分别对304不锈钢和Q235碳钢的熔池流动行为进行了试验研究。进一步探究了异种钢焊接熔池流动行为,选取304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢、304不锈钢/316L不锈钢三种不同的异种钢焊接的熔池流动作为研究对象。基于图像处理方法,对熔池表面流动速率进行了定量计算。为了更好地进行试验数据的后处理,准确的提取了304不锈钢TIG焊的熔池边缘。具体研究内容如下:1.基于所搭建的熔池激光反射平台,分别对涂覆有示踪粒子的304不锈钢和Q235碳钢进行普通脉冲TIG焊,基于像素坐标原理对试验所采集的数据进行处理,得到了304不锈钢和Q235碳钢熔池表面示踪粒子的运动轨迹,以此表征了熔池表面液态金属的流场,结果表明:304不锈钢TIG焊时示踪粒子由熔池边缘逆时针运动到熔池中心,这表明熔池表面的液态金属是由熔池周边以逆时针旋转的方式进入到熔池中心的;Q235碳钢TIG焊时示踪粒子的运动过程基本没有方向性且一直在熔池边缘,这表明Q235碳钢在TIG焊时,熔池表面的液态金属是以不定向,不规则的轨迹最终流向熔池边缘。通过实际熔池宽度和熔池像素宽度的映射关系,得到示踪粒子在熔池表面的实际运动距离,求得304不锈钢TIG焊时熔池表面的流动速度大约为105mm/s,Q235TIG焊时熔池表面的流动速度大约为106mm/s。2.为了探究异种钢焊接时,熔池表面的流动行为。基于与上述相同的试验平台和试验方法,研究了304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢、304不锈钢/316L不锈钢三种不同的异种钢焊接的熔池流动,为了进一步探究异种钢焊接熔池内部的流动情况,用EDS方法研究了焊缝区域的元素分布,以此来推理熔池内部的流动行为。结果表明:在不锈钢与碳钢焊接时,熔池表面金属由不锈钢向碳钢一侧流动,当304不锈钢与316L不锈钢焊接时向304不锈钢一侧转移,其中304不锈钢/Q235碳钢熔池表面液态金属的流动速度约为248mm/s,316L不锈钢/Q235碳钢熔池表面液态金属的流动速度约为204mm/s;304不锈钢/316L不锈钢熔池表面液态金属的流动速度约为158mm/s,熔池内部液态金属是由碳钢侧流向不锈钢侧的。3.为了准确的进行熔池图像数据的后处理,对304不锈钢TIG焊熔池图像进行了预处理,二值化,基于Canny、Prewitt、Robert、Sobel、Laplace五种边缘检测算子进行了边缘提取,探究最佳的数据后处理方法,结果表明:首先对图像进行预处理,然后图像经过二值化后,使用Robert边缘检测算子所提取到的熔池边缘最优。

关键词： TIG焊激光反射粒子示踪可视化研究熔池流动行为

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钛/铝脉冲激光焊接熔池流动行为与断裂模式

应用激光 2020年第5期40卷 860-866页

作者：段珍珍陈纪宇谷晓燕长春工程学院机电工程学院吉林长春130022 吉林大学材料科学与工程学院吉林长春130022

采用脉冲激光器实现了TC4钛合金/6082铝合金的焊接,并用有限元分析软件对接头温度分布及界面处热循环进行了数值计算。根据激光焊接小孔效应的特点以及钛合金与铝合金间热物理学性质的差异,并以熔化焊熔池形成过程及异种金属液态界面间... 详细信息

采用脉冲激光器实现了TC4钛合金/6082铝合金的焊接,并用有限元分析软件对接头温度分布及界面处热循环进行了数值计算。根据激光焊接小孔效应的特点以及钛合金与铝合金间热物理学性质的差异,并以熔化焊熔池形成过程及异种金属液态界面间的相互作用形式为依据,建立了熔池金属流动模型,阐述了钛/铝异种金属焊接过程中液态金属的流动特点,解释了界面的形成过程与机理,分析了接头在不同热输入条件下的断裂模式。试验结果表明:在钛/铝激光焊接过程中,熔池内复杂的液流及多种影响因素使得反应界面呈不规则形态,同时也影响了脆性金属间化合物TiAl、TiAl2和TiAl3的分布。在不同的热输入条件下,反应界面形态与脆性金属间化合物的分布会发生改变,接头的断裂模式也会有所不同,接头的抗拉强度会随热输入的增大而降低。

关键词：钛/铝脉冲激光焊有限元分析界面形成机理熔池流动行为金属间化合物

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不锈钢超高频直流脉冲GTAW焊缝成形行为

焊接学报 2012年第11期33卷 31-34,114页

作者：杨明轩齐铂金从保强李伟杨舟北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京石油化工学院电气工程系北京102617

基于超高频直流脉冲钨极氩弧焊技术(UHF-GTAW,ultrahigh frequency pulse-gas tungsten arc welding),完成了0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊缝熔透特性试验,研究分析了超高频脉冲方波电流对焊缝成形及熔池金属流动的影响规律.结果表明,在高... 详细信息

基于超高频直流脉冲钨极氩弧焊技术(UHF-GTAW,ultrahigh frequency pulse-gas tungsten arc welding),完成了0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊缝熔透特性试验,研究分析了超高频脉冲方波电流对焊缝成形及熔池金属流动的影响规律.结果表明,在高频脉冲电流作用下,熔透率随频率增加而增大,在同等平均电流条件下,当脉冲频率达到80 kHz时,熔宽减小,熔深最大增加了88.7%,熔透率显著提升,至少增大了24.6%以上.结合试验数据对熔池流动行为进行了理论分析,讨论了熔池内部电磁力对焊缝成形的作用及对流体的驱动效果.

关键词：超高频直流脉冲GTAW 焊缝成形熔池流动行为

脉冲/连续双光束复合激光熔覆对316L不锈钢熔覆组织的影响

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中国激光 2023年第4期50卷 74-84页

作者：范思远毛家智谢颂伟王梁姚喆赫陈智君姚建华浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310023 浙江工业大学激光先进制造研究院浙江杭州310023 浙江省高端激光制造装备协同创新中心浙江杭州310023

本团队以316L不锈钢为对象,研究了高频脉冲激光直接作用于液态熔池对熔覆层宏观形貌、显微组织和熔池流动行为的影响;采用脉冲/连续双光束复合激光熔覆技术制备了316L不锈钢涂层,采用光学显微镜观测了熔覆层的宏观形貌和显微组织结构,... 详细信息

本团队以316L不锈钢为对象,研究了高频脉冲激光直接作用于液态熔池对熔覆层宏观形貌、显微组织和熔池流动行为的影响;采用脉冲/连续双光束复合激光熔覆技术制备了316L不锈钢涂层,采用光学显微镜观测了熔覆层的宏观形貌和显微组织结构,并进一步采用高速摄像机研究了熔池流动行为的变化。研究结果表明:在高频脉冲激光作用下,熔池表面产生了高频环状振动波,波速约为1.408 m/s,马兰戈尼对流显著增强,熔池表面后端熔体的流速由未施加高频脉冲激光时的0.308 m/s增至0.394 m/s,提高了约27.92%;熔池凝固的冷却速率显著提高,由未施加高频脉冲激光时的186.58 K/s增至475.76 K/s,提高了约154.99%;由于形核趋势的增加和温度梯度的降低,熔覆层组织得以显著细化,平均晶粒尺寸由未施加高频脉冲激光时的13.06μm减至6.32μm,减小了约51.61%。

关键词：激光技术双光束激光熔覆显微组织熔池流动行为

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核电异种金属焊接材料及方法研究现状

焊接 2022年第3期 52-57页

作者：冯杰才刘树磊骆传万魏连峰姜梦田应仲上海大学上海200444 中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室成都610041 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

异种金属焊接接头开裂是导致核电事故的主要原因,急需开发新材料新技术,提高焊缝质量。传统电弧焊方法存在效率低、热输入大和变形严重等问题。窄间隙电弧焊的热输入、填充量、变形量等都比传统电弧焊低。与窄间隙电弧焊相比,窄间隙激... 详细信息

异种金属焊接接头开裂是导致核电事故的主要原因,急需开发新材料新技术,提高焊缝质量。传统电弧焊方法存在效率低、热输入大和变形严重等问题。窄间隙电弧焊的热输入、填充量、变形量等都比传统电弧焊低。与窄间隙电弧焊相比,窄间隙激光填丝焊坡口更窄、热输入更低、变形更小、精度更高。研究表明,窄间隙激光填丝焊可获得满足核电压力容器制造要求的焊缝,有望成为异种金属连接新方法。然而,现有窄间隙激光填丝焊采用常规激光及单焊丝填充,仍存在3个主要问题:一是界面容易产生未熔合问题;二是熔融金属粘度大,熔池流动性差,合金元素分布不均匀;三是低熔点共晶相沿晶界析出过多,无法兼顾焊缝抗液化裂纹、应力腐蚀裂纹和高温失塑裂纹能力。研究表明,焊接热源和焊材是解决上述问题的2个关键因素。

关键词：核电异种金属窄间隙激光填丝焊熔池流动行为焊接冶金