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激光深溶焊接小孔效应的理论和试验研究

金湘中  
【摘要】: 本文在分析现有激光深熔焊接研究成果的基础上,针对现有研究存在的主要问题,采用理论研究和试验研究相结合的方法,对激光深熔焊接过程中的小孔效应进行了较深入系统的研究。 论文首先选择GG17玻璃这种抗热震性好且软化温度与汽化温度相差较远的透明材料作为工件材料,采用特殊设计的实验装置,通过高速摄影方法首次清晰而完整地观测到了激光深熔焊接时的小孔形状。利用针孔扫描的原理,测量了聚焦光斑尺寸及光斑内的能量分布状况。试验研究了离焦量、焊接速度、激光功率等激光焊接工艺参数以及等离子体对激光深熔焊接小孔与熔池形状和尺寸的影响,结果表明:由于GG17玻璃的热传导系数很小,工件表面处的小孔直径主要取决于有效功率密度下的光斑直径,而与工件表面处的实际光斑直径没有简单的相等或比例关系,并与焊接速度关系不大;小孔的形状呈圆锥形,且圆锥角随小孔深度的增大而减小,当小孔深度较大时,由于不同深度处的小孔直径变化很小,可近似视为一圆柱体;小孔的弯曲程度与焊接速度密切相关,随着焊接速度的增大,小孔的弯曲程度加大;小孔深度随焊接速度的增大、离焦量的增大以及激光功率的减小而减小;由于GG17玻璃的电离能比金属材料高得多,不易形成光致等离子体,所以,在激光深熔焊接GG17玻璃的过程中,激光能量传输的主要方式是孔壁的多次反射吸收。 其次,论文系统地研究了小孔孔壁的反射吸收在激光深熔焊接过程中对激光能量传输的作用和影响。利用上面得到的小孔照片,通过测量可以确定小孔前后沿的形状,然后通过多项式拟合的方法得到了小孔前后沿的曲线方程。在实验测量的材料表面对激光的反射率的基础上,采用几何光学近似的方法,通过跟踪激光在小孔内的多次反射传输轨迹,分析和计算了聚焦高斯激光通过孔壁的多次反射吸收而在圆柱形小孔、圆锥形小孔和实际小孔等几种形状的小孔孔壁上的能量分布情况。计算结果表明:不论是圆柱形小孔、圆锥形小孔还是真实形状的小孔,孔壁的多次反射只对小孔下部孔壁上的激光功率密度有影响,而在小孔的上部,孔壁上的激光功率密度主要取决于直射光的功率密度;对于真实形状的弯曲小孔而言,不论是小孔前沿还是小孔后沿,孔壁上的激光功率密度分布主要取决于直射到小孔前沿的激光功率密度在多次反射后在孔壁上的分布;对于真实形状的弯曲小孔而言,经过孔壁的多次反射吸收以后,小孔前沿孔壁上的激光功率密度基本能均匀分布,但是对于小孔后沿,孔壁上的激光功率密度分布很不均匀,有些部位根本就没有激光照射,这意味着激光的能量主要是在小孔的前沿上被工件材料所吸收。 接着,论文系统地研究了小孔内部等离子体对激光的反韧致辐射吸收在激光深熔焊接过程中对激光能量传输的作用和影响。采用几何光学近似的方法,通过跟踪激光在小孔内的多次反射传输轨迹,分析和计算了聚焦高斯激光通过小孔内部等离子体对激光的反韧致辐射吸收而在圆柱形小孔、圆锥形小孔和实际小孔等几种形状的小孔孔壁上的能量分布情况。 计算结果表明:小孔孔壁通过等离子体的反韧致辐射吸收的激光功串采度主要取决于等离 子体对直射擞光的反韧致辐射吸收,小孔孔壁的多次反射光只对小孔下部孔丝的檄光功率 密度分布有一些影响;小孔孔里沤过筹离子体的反韧致辐射吸收的激光功率密度大小和分 布倩况与小孔的形状、尺寸、聚焦透镜焦距以及激光入射小孔的位辽等因素有关。 最后,在实验得到的小孔形状的基础上,通过分层假设小孔为圆柱体形且孔壁的温度 维持为材料的汽化温度,建立了一个移动囫柱体面热源热传导模型和一个熔池对流流动模 型;并分别采用有限差分法和有限元法对模型进行了戮值求解,得到了小孔周围的温度场 和流场。通过模型计算结果与试验结果的比较,系统研究了小孔形状、尺寸以及焊接速度 等参数对激光深熔焊接过程的影晌,分析了烙池对流流动在激光深熔焊接中的作用,研究 了小孔形成和存在的机理.研灾结果表明:由于 这度的存在,小孔周围的温度梯度分 獭不均匀的,小孔前沿的温度梯度比后沿大得多,从而导致小孔孔肇圆周上的热流密度 分布也是不均匀的,小孔前沿的热流密度比后沿大一个戮量级.考虑烙池对流流动影响时, 由于孔壁上损失的热蠢不仅包括热传导损失的热量,而且还包括烙池对流流动带走的热量, 所以小孔孔壁损失的热流密度比鲍热传导时大。沤过比较小孔孔肇上损失的热流来度和小 孔孔壁吸收的激光功率密度,发现:在小孔的前沿孔鳖上,反射吸收的激光功率密蟹和损 失的热流密度大体上是平衡的。但在小孔的后沿孔壁上;出现了只有热流损失而无激光功 壤穆憎圃这说明了在建立模型时所作出的整个小孔孔壁温度均处于汽化温度的假设是不 推确的。没有滋光场牢赐射的小孔后沿区域不可能维持这样高的温度,平衡热流损失所需 要的能量主要是通过熔池内熔码材料的对流流动由小孔前沿所带进来的。流场的计算结果 显示,在激光深熔焊接过程中,除极少量的材料穿过小孔孔壁发生汽化提供小孔形成和存 在所需耍的汽化膨胀压力外,绝大剖 融材料是沤过小孔外锁绕流到小孔后沿的


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