發(fā)布時間：2020-06-08 02:01

【摘要】：本文闡述了激光深熔焊接機理(小孔效應(yīng)),從小孔形貌及孔內(nèi)菲涅爾吸收這一角度討論了小孔效應(yīng)的研究現(xiàn)狀及存在的主要問題。由于焊接材料的不透明性,現(xiàn)階段實驗研究很難觀測到真實的小孔形貌,而在高度簡化的小孔模型基礎(chǔ)上進行的菲涅爾吸收研究也難有說服力。為了解決相關(guān)問題,本文通過實驗和模擬相結(jié)合的研究方法深入系統(tǒng)地研究了激光深熔焊接中的小孔形貌和孔內(nèi)菲涅爾吸收。首先,運用獨特設(shè)計的實驗方法,實現(xiàn)同時從頂面和側(cè)面拍攝激光深熔焊接鋁合金過程中小孔形貌照片,并且首次保證了側(cè)面觀測的小孔形貌是焊接速度方向?qū)ΨQ面上的小孔形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在焊接速度的反方向上,小孔輕微彎曲,小孔橫截面一定程度拉長。首次對實驗所用的激光器進行了實驗測試,計算確定了該激光器的激光功率密度分布。其次,首次在小孔任意深度處橫截面輪廓與工件頂面小孔輪廓相似的假設(shè)下,重構(gòu)了激光深熔焊接過程中的3D小孔。運用有限元的思想,離散了激光束,并采用幾何光學近似的方法,追蹤了激光在3D小孔內(nèi)的多重反射過程,同時推導了多重反射過程中孔壁菲涅爾吸收的計算公式。然后,計算和分析了孔內(nèi)菲涅爾吸收的功率密度分布情況及其影響因素。由于小孔伸長,在小孔上部,左右孔壁上菲涅爾吸收的功率密度大于前后孔壁上菲涅爾吸收的功率密度。由于小孔彎曲,在小孔中部和下部,前壁上菲涅爾吸收的總功率密度明顯大于小孔后壁和側(cè)壁上菲涅爾吸收的功率密度。因為激光的多次反射將激光能量傳輸?shù)搅诵】椎撞?所以小孔底部孔壁上菲涅爾吸收的功率密度比小孔其它部分高很多。綜上所述:菲涅爾吸收的總功率密度分布不均勻,激光的多次反射是影響菲涅爾吸收功率密度分布的最主要因素。通過菲涅爾吸收,小孔底部孔壁上的功率密度非常高,所以小孔底部的材料大量汽化,形成了巨大的反沖壓力,在反沖壓力的作用下,小孔內(nèi)壓力和能量平衡得以維持,小孔存在得以保證。菲涅爾吸收在激光深熔焊中起了關(guān)鍵性的作用。
【圖文】：

美國研制出了世界上第一臺激光器。直到現(xiàn)在，激光技各個領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激低功率到高功率、低速到高速、低頻到高頻、薄板到厚板展[1 ]。 隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展，激光焊接技術(shù)得到了航空航天、加工制造、醫(yī)學等多個相關(guān)領(lǐng)域。焊接模式接通常按激光焊接過程中是否有小孔(keyhole)產(chǎn)生，分為(Heat Conduction Welding)和深熔焊接(Deep Penetration W式的能量耦合機制、焊縫形成機理、焊接效果以及應(yīng)用都焊接是用高功率密度激光，直接照射焊接材料的待焊區(qū)，吸收激光中的能量，從而溫度迅速升高，使材料熔化甚至射材料的過程中，激光會反射、折射，激光能量以及高溫熔了不同激光功率密度下激光焊接的示意圖。

面張力和熔池流動阻力平衡時，小孔形成(keyhole)。小孔的形成有利于激光能的吸收，并且將大量的能量直接傳送到工件內(nèi)部，使工件內(nèi)部的焊接材料直接收能力從而被焊接。這種存在小孔的焊接為激光深熔焊接。當激光功率密度繼續(xù)升高到 5.0×107以上，焊接工件會被強烈汽化，屬氣體被高度電離，形成高濃度的等離子體云。激光束穿過高濃度的等離子體時，將進行反射、散射和散焦，激光束的傳輸被干擾，造成熔池深度不足、焊效果變差，難以達到預(yù)期的實驗?zāi)康�。激光的反射還有可能損壞激光頭內(nèi)部的護鏡片。圖 1.2 是激光深熔焊接原理圖。就焊接工件對激光能量的吸收來說，小孔出現(xiàn)是激光深熔焊接最重要的特點。小孔出現(xiàn)前，溫度對激光能量吸收率影響大，溫度升高，激光的能量的吸收率變化卻不明顯。工件被汽化形成小孔，金氣體被電離形成等離子體后，激光能量的吸收率產(chǎn)生了巨變，幾乎接近了 100%此時，激光波長、材料的物理特性和物理狀態(tài)已經(jīng)不能影響激光能量吸收率，激光在小孔內(nèi)的行為決定了激光能量的吸收。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG456.7

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張文毓;;激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J];新技術(shù)新工藝;2009年01期

2 秦國梁,楊永波,林泳,齊秀濱,王旭友,林尚揚;Nd:YAG CW激光熱傳導焊 Ⅰ.溫度場三維解析計算[J];焊接學報;2002年06期

3 劉建華，李志遠，胡倫驥，，賀禮，張立文;激光深熔焊傳熱模型的研究[J];激光技術(shù);1995年01期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 張屹;基于“三明治”新方法的激光深熔焊接小孔效應(yīng)的模擬研究[D];湖南大學;2005年

本文編號：2702356