高功率光纤激光焊接深熔小孔特性行为研究

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高功率光纤激光因其具有运行成本低、光束质量好和加工柔韧性高等显著的优点,吸引了全世界加工行业中众多学者的广泛关注。在焊接领域,近年来的研究发现高功率光纤激光与C02激光的深熔焊接特性存在明显的差异。为了全面的认识高功率光纤激光深熔焊接小孔的特性行为,本文从深熔小孔的形成过程、孔内羽辉的动态行为及孔壁微观形貌观测和焊接缺陷(熔池流动特性、驼峰形成及熔深波动)的形成过程这三个方面对其进行了研究。  采用IPG YLS-6000光纤激光焊接金属铁和GG17玻璃组成的“三明治”模型,基于高速摄像从玻璃侧观察深熔小孔。实验发现深熔小孔的形成过程类似于激光打孔过程,打孔速度为先增大后减小的过程,可达若干m/s量级。小孔的形成时间与激光焊接特征时间有关(光斑直径除以焊接速度)。低速焊接时,该时间小于焊接特征时间;而高速焊接时,等于焊接特征时间。  基于高功率光纤激光焊接“三明治”实验,测得高功率光纤激光焊接深熔小孔内的羽辉呈现出向下周期性运动的特征,其周期约为5ms~0.75ms。基于熔池快速冷冻保留深熔小孔的原理,本研究报告提出了一种观察孔壁微观形貌的新方法。实验发现高功率光纤激光焊接深熔小孔口分为激光作用区和蒸气压力维持区。激光直接作用在小孔前壁上,小孔前壁表面为一系列同心椭圆环,圆环中心呈现为下凹状态,圆环之间存在大量皱褶。进一步分析表明小孔前壁是熔池流动的根源,少量熔液沿小孔前壁上方和小孔侧向流动,大量熔液向小孔底部流动。小孔前壁上的同心椭圆环表明高功率光纤激光焊接中小孔的形成过程为激光在小孔前壁上的打孔过程,同心椭圆环为激光作用区的蒸发反冲压力所致。孔内羽辉向下周期性运动实际为激光在小孔前壁上作用区的向下打孔周期性运动,即高功率光纤激光焊接中,深熔小孔的形成过程为激光在前壁上的周期性打孔过程。  采用CO2激光焊接GG17玻璃模拟高功率光纤激光焊接,发现非穿透焊接中熔液沿熔池尾部向熔池表面流动,其速度可达0.25m/s。小孔底部倾斜角在布儒斯特角附件的波动是形成驼峰的主要原因。穿透焊中,熔池几乎垂直于小孔前壁沿焊接反向流动,大量蒸气沿底部小孔口喷出,余高和驼峰均消失。小孔底部波动使焊接熔深呈现出尖刺状,与小孔前壁的熔化厚度波动波动。
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