文档介绍：Classified Index: TG403
:
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
STUDY ON THE MECHANISM OF RATION MODE FOR THIN SHEET LASER DEEP RATION WELDING
Candidate: Fang Junfei
Supervisor: Prof. Wu Lin
Associate Supervisor: Prof. Chen Yanbin
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Material Processing Engineering
Affiliation: School of Material Science and Engineering
Date of Defence: May 2007
Degree-Conferring-Institution Harbin Institute of Technology
摘要
匙孔和熔池相互作用是激光深熔焊接中的核心问题。本文通过分析 Nd:YAG 激光焊接过程中匙孔、熔池及等离子体的温度、电子密度特征,建立了同轴视觉传感系统,对焊接过程中熔池和匙孔区域的光辐射进行了实时检测。利用匙孔和熔池区域的光辐射特征,结合焊缝的特征对薄板激光深熔焊接的熔透模式进行了深入的研究,系统地分析了不同熔透模式下匙孔、熔池和焊缝的特征随工艺参数变化的规律,从理论上揭示了熔透模式转变的物理机制和对焊缝成形的影响规律。
本文将焊接过程中匙孔和熔池的光辐射特征与焊缝的横截面特征联系起来,对全熔透激光焊接的熔透模式进行了划分。根据匙孔是否穿透工件的背面将激光深熔焊接分为匙孔穿透型和匙孔未穿透型两种熔透模式。匙孔穿透型熔透时的焊缝典型的横截面形状为“X”型,而匙孔未穿透模式时的典型焊缝横截面形状为“V”型。通过分析匙孔内部的受力平衡,对两种熔透模式相互转化时匙孔底部的力学平衡的变化进行了探讨;结合焊接工艺参数对匙孔存在和扩展的影响规律,确定了工艺参数对熔透模式转变的影响,通过熔池的受热状态和流体驱动力两个方面对两种熔透模式下焊缝的形成机制进行了阐述。
对于试验获得的同轴视觉传感图像,利用中值平滑滤波、同态滤波及线性灰度变换等图像预处理方案对图像进行了除噪和增强处理,使用 Canny 算子实现了匙孔和熔池的边缘检测,并通过 Hough 变换最终获得了匙孔和熔池的形状特征。对匙孔、熔池和焊缝特征随工艺参数变化的研究表明:相对于激光功率,焊接速度是影响匙孔和熔池角度的决定因素;熔合线下部与激光轴线的夹角、焊缝背面宽度与正面宽度的比 Rw 可以作为判断熔透模式的特征量。在熔透模式为匙孔未穿透型时,熔池下部与激光轴线的夹角为正,一旦实现了匙孔穿透,该角度即变为负角度。工件厚度为 时, Rw 大于 即可获得稳定的匙孔穿透型焊接模式。
采用从同轴视觉传感图像所获得的熔池边缘特征来进行焊缝正面熔宽的检测,检测的结果与试验的结果具有较高的吻合度;利用匙孔背面开口的特征进行焊缝背面熔宽的检测,在匙孔背面开口较小的时候,两者近似呈现线性关系,但随着背面半径的增加,焊缝背面的宽度渐渐趋向稳定。
在工艺试验的基础上,通过考虑匙孔机制在激光深熔焊接中的作用,将
由同轴视觉传感系统获得的匙孔特征引入到数值计算中,并在此基础上建立了移动热源作用下的激光深熔焊接熔池传热传质的三维数学模型。研究了不同熔透模式下熔池内部的温度场和速度场的分布,并对熔池流动驱动力的作用进行了量化的分析。模拟的结果表明,不同熔透模式下,由于匙孔形状的差别使得熔池内部的流体运动产生了较大的差别,从而是两种焊缝形状形成的内在原因;在熔池内部的驱动力中,浮力所引起的流体运动速度较慢,对熔池流动的影响很弱;蒸气摩擦力主要影响的是匙孔周围熔池的流动,促使熔池金属由匙孔壁向熔池的边缘流动;表面张力是熔池中流体流动的最主要的驱动力,在其作用下熔池表面的液态金属由熔池中心流向边缘,并在熔池后方边缘处形成涡流。匙孔穿透工件时,表面张力作用下的熔池形成束腰, 是形成“X”型焊缝的主要原因。
关键词激光深熔焊接;熔透模式;同轴视觉传感;传热传质数值模拟
Abstract
The interaction between the keyhole and weld pool is the core problem of the laser keyhole welding. By analysis of the keyhole, weld pool and plasma