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1、激光深熔焊接的熔池行為與焊接缺陷的研究
2、第1.luneltingpoolbehavioranddefectsoflaserProcessingLaboratoryofNationalDefense)Abstract：Inthispaper,amathematicalmodelofkeyholemechanismoflaserdeepetallicvaporpressureandtherelationshipofmetallicvapora.Theeffectoflasereters(includinglasermode,laserpoeltpool metalvaporrecoilpressu
3、re porosity引言 激光深熔焊接的本質(zhì)特征為小孔效應(yīng)。當(dāng)高功率密度激光束入射到金屬表面時(shí)，材料被迅速加熱，由于熱傳導(dǎo)作用，材料將產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)。如果材料蒸發(fā)速度足夠高，激光束將在金屬中打出一個(gè)小孔，在小孔內(nèi)，金屬蒸氣反沖壓力與液態(tài)靜壓力、表面張力之間的作用的動(dòng)態(tài)平衡將維持小孔的存在［1］。小孔內(nèi)的蒸氣壓力分布和有關(guān)的氣體動(dòng)力學(xué)及離化作用將影響到小孔的形狀。在激光深熔焊接中，由于存在小孔，激光束能深入到材料內(nèi)部，被熔化的液態(tài)金屬環(huán)繞在小孔的周圍，激光對(duì)材料的熱輸入主要是在小孔壁上的液化界面上，隨著激光束的移動(dòng)，小孔前沿的金屬被熔化、汽化，而在小孔后部，液態(tài)金屬重新凝固，而形成焊縫。由于
4、小孔附近的很大溫度梯度，使小孔周圍的金屬熔體產(chǎn)生很大的表面張力梯度，其相應(yīng)的金屬蒸氣反沖壓力使小孔前沿產(chǎn)生強(qiáng)烈的環(huán)流。圖1示出激光深熔焊接熔池的流動(dòng)情況，熔池內(nèi)的熱傳輸和液體流動(dòng)可以顯著地影響熔池的幾何形狀、溫度梯度、局部區(qū)域的冷卻速率和凝固結(jié)構(gòu)，并可導(dǎo)致熔深的波動(dòng)、氣孔、熔池不足等缺陷。采用實(shí)驗(yàn)方法很難確定焊接過(guò)程中的溫度分布、冷卻速度和熔池流動(dòng)的形態(tài)。因此，采用數(shù)學(xué)方法定量分析激光深熔焊接過(guò)程中的具體溫度分布和流動(dòng)狀態(tài)引起了人們的廣泛注意。Fig.1 Thepoolfloder等人采用有限差分法發(fā)展了一個(gè)三維穩(wěn)態(tài)激光深熔焊接的數(shù)值模型，根據(jù)傳熱理論可得到小孔的形成過(guò)程［5］。Sonti等人
5、采用二維有限元非線性模型進(jìn)行了鋁合金激光深熔焊接傳輸過(guò)程的三維計(jì)算，得到了激光焊接的三維溫度場(chǎng)［6］。Klemens是第一個(gè)從小孔壓力平衡角度研究了穩(wěn)態(tài)下的小孔的形態(tài)，由于壓力是小孔深度的函數(shù)，小孔半徑將隨深度而變化［7］。Andrens等人更加具體地分析了小孔形狀與小孔內(nèi)壓力之間的關(guān)系［8］。Doetalevaporationrecoilpressureonkeyholeodeonode b€€multi-mode 激光等離子體是激光深熔焊接中在高能量密度作用下伴隨小孔同時(shí)存在的。等離子體的狀態(tài)和行為對(duì)激光焊接熔池行為有重要的影響，如果等離子體控制得不好，可能造成激光焊接過(guò)程的中斷。等離子
6、體主要通過(guò)以下兩種機(jī)制對(duì)激光深熔焊接過(guò)程產(chǎn)生影響，一是等離子體吸收激光能量；二是等離子體會(huì)改變激光束聚焦光斑的空間形態(tài)?！ ⊙芯孔C明［10．11］，等離子體是一個(gè)光疏介質(zhì)，當(dāng)入射激光束穿過(guò)等離子體將導(dǎo)致激光束傳播方向的改變；其偏轉(zhuǎn)角是不同的，并與等離子體的電子密度梯度和等離子體長(zhǎng)度等有關(guān)，幾十瓦至幾千瓦的CO2激光誘導(dǎo)的等離子體對(duì)激光束的偏轉(zhuǎn)角達(dá)10－2mrad?！ ockstroh［12，13］研究證明，在Ar氣氛下，CO2激光輻射鋁靶，當(dāng)激光功率密度為6×1052時(shí)，激光束穿過(guò)等離子體，由于等離子體對(duì)激光束的折射，激光光斑面積增大了8%。當(dāng)激光功率為1×1062時(shí)，光斑面積擴(kuò)大了23%。
7、很顯然，激光束穿過(guò)等離子體時(shí)光斑面積擴(kuò)大，且焦點(diǎn)位置發(fā)生改變。我們的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)?！ 〖す獾入x子體對(duì)焊接熔池會(huì)造成較大影響。等離子體濃度越高，對(duì)激光束的吸收和聚焦光束的折射的影響越大。將使焊接熔池深度減少，并使焊縫的深寬比減少。由于等離子體對(duì)焊接熔池影響較大，故需采取措施消除和抑制等離子體。通常采用沿焊接方向吹輔助氣體。輔助氣體種類也影響等離子體的形態(tài)。幾種輔助氣體的效果排列順序?yàn)镠e,CO2,N2,Ar。He抑制等離子體效果最好，熔池深度最深。這是因?yàn)镠e不僅有較大的電離電流，而且He的導(dǎo)熱性好，也使得產(chǎn)生的等離子體不易擴(kuò)展。而Ar電離能較低，尤其是Ar的導(dǎo)熱性差而易造成等離子體擴(kuò)展。
8、 此外，激光焊接速度也對(duì)等離子體形態(tài)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)證明，在入射激光功率密度大于6×1062時(shí)，如果激光焊接速度大于60mm／s，則產(chǎn)生的等離子密度較低，此時(shí)對(duì)激光焊接熔池影響較小。如果焊接速度低于40mm／s時(shí)，等離子體密度迅速增加，等離子體對(duì)激光的聚焦特性影響增大。因此，焊接速度越小，焊接熔池深度差別越大。2 熔池行為與焊接缺陷 上面已經(jīng)提到，在激光深熔焊接中，熔池小孔的深度和形狀與等離子體
