激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究

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1、激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究

2、第1.luneltingpoolbehavioranddefectsoflaserProcessingLaboratoryofNationalDefense)Abstract：Inthispaper,amathematicalmodelofkeyholemechanismoflaserdeepetallicvaporpressureandtherelationshipofmetallicvapora.Theeffectoflasereters(includinglasermode,laserpoeltpool　metalvaporrecoilpressu

3、re　porosity引言　　激光深熔焊接的本质特征为小孔效应。当高功率密度激光束入射到金属表面时，材料被迅速加热，由于热传导作用，材料将产生熔化、蒸发。如果材料蒸发速度足够高，激光束将在金属中打出一个小孔，在小孔内，金属蒸气反冲压力与液态静压力、表面张力之间的作用的动态平衡将维持小孔的存在［1］。小孔内的蒸气压力分布和有关的气体动力学及离化作用将影响到小孔的形状。在激光深熔焊接中，由于存在小孔，激光束能深入到材料内部，被熔化的液态金属环绕在小孔的周围，激光对材料的热输入主要是在小孔壁上的液化界面上，随着激光束的移动，小孔前沿的金属被熔化、汽化，而在小孔后部，液态金属重新凝固，而形成焊缝。由于

4、小孔附近的很大温度梯度，使小孔周围的金属熔体产生很大的表面张力梯度，其相应的金属蒸气反冲压力使小孔前沿产生强烈的环流。图1示出激光深熔焊接熔池的流动情况，熔池内的热传输和液体流动可以显著地影响熔池的几何形状、温度梯度、局部区域的冷却速率和凝固结构，并可导致熔深的波动、气孔、熔池不足等缺陷。采用实验方法很难确定焊接过程中的温度分布、冷却速度和熔池流动的形态。因此，采用数学方法定量分析激光深熔焊接过程中的具体温度分布和流动状态引起了人们的广泛注意。Fig.1　Thepoolfloder等人采用有限差分法发展了一个三维稳态激光深熔焊接的数值模型，根据传热理论可得到小孔的形成过程［5］。Sonti等人

5、采用二维有限元非线性模型进行了铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算，得到了激光焊接的三维温度场［6］。Klemens是第一个从小孔压力平衡角度研究了稳态下的小孔的形态，由于压力是小孔深度的函数，小孔半径将随深度而变化［7］。Andrens等人更加具体地分析了小孔形状与小孔内压力之间的关系［8］。Doetalevaporationrecoilpressureonkeyholeodeonode　b€€multi-mode　　激光等离子体是激光深熔焊接中在高能量密度作用下伴随小孔同时存在的。等离子体的状态和行为对激光焊接熔池行为有重要的影响，如果等离子体控制得不好，可能造成激光焊接过程的中断。等离子

6、体主要通过以下两种机制对激光深熔焊接过程产生影响，一是等离子体吸收激光能量；二是等离子体会改变激光束聚焦光斑的空间形态。　　研究证明［10．11］，等离子体是一个光疏介质，当入射激光束穿过等离子体将导致激光束传播方向的改变；其偏转角是不同的，并与等离子体的电子密度梯度和等离子体长度等有关，几十瓦至几千瓦的CO2激光诱导的等离子体对激光束的偏转角达10－2mrad。　　Rockstroh［12，13］研究证明，在Ar气氛下，CO2激光辐射铝靶，当激光功率密度为6×1052时，激光束穿过等离子体，由于等离子体对激光束的折射，激光光斑面积增大了8%。当激光功率为1×1062时，光斑面积扩大了23%。

7、很显然，激光束穿过等离子体时光斑面积扩大，且焦点位置发生改变。我们的实验也证明了这一点。　　激光等离子体对焊接熔池会造成较大影响。等离子体浓度越高，对激光束的吸收和聚焦光束的折射的影响越大。将使焊接熔池深度减少，并使焊缝的深宽比减少。由于等离子体对焊接熔池影响较大，故需采取措施消除和抑制等离子体。通常采用沿焊接方向吹辅助气体。辅助气体种类也影响等离子体的形态。几种辅助气体的效果排列顺序为He,CO2,N2,Ar。He抑制等离子体效果最好，熔池深度最深。这是因为He不仅有较大的电离电流，而且He的导热性好，也使得产生的等离子体不易扩展。而Ar电离能较低，尤其是Ar的导热性差而易造成等离子体扩展。

8、　　此外，激光焊接速度也对等离子体形态产生影响。实验证明，在入射激光功率密度大于6×1062时，如果激光焊接速度大于60mm／s，则产生的等离子密度较低，此时对激光焊接熔池影响较小。如果焊接速度低于40mm／s时，等离子体密度迅速增加，等离子体对激光的聚焦特性影响增大。因此，焊接速度越小，焊接熔池深度差别越大。2　熔池行为与焊接缺陷　　上面已经提到，在激光深熔焊接中，熔池小孔的深度和形状与等离子体