光纤激光液态填充焊的熔丝机制与熔池流动行为研究

项目针对激光填丝焊因焊丝对激光能量反射、匙孔冲击带来的焊接过程不稳定问题，提出了激光液态填充新方法，从熔池流动、匙孔动态行为及焊接性能等方面阐明并验证了液态填充方法对激光焊接过程稳定性的改善作用。1）以小电流电弧为热源建立了焊丝预熔系统，提出了振动辅助熔滴过渡、液桥过渡等不同的液态填材过渡模式，阐明了不同送丝速度下焊丝的稳定熔化机制与能量控制方法。2）通过对液态填充焊过程中的熔滴受力与过渡形态进行的计算与分析，获得了电弧力作用方向、预熔电流、辅助振动频率与作用力方向等不同驱动力对熔滴过渡特性的影响规律。3）证明液桥过渡为激光液态填充焊的最优过渡模式，阐明了焊丝全熔态、半熔态液桥过渡的物理特性的及其熔化状态的控制方法。提出了利用激光等离子体稳定电弧根部的新思路，实现了高速焊下微弧形态与熔丝能量的稳定控制；有效利用了间隙的毛细作用实现了全熔态液桥过渡填材的液相稳定运动控制。4）基于熔池表面、内部物理特征的图像监测技术与有限元数值模拟技术，获得了不同激光焊接条件下的熔池流动特性与匙孔动态行为的完整三维信息；揭示了填材过渡模式对熔池流动、匙孔波动的影响规律及传热传质机制，解释了高、低速焊接条件下熔池内部出现完全不同流动行为的主要原因所在。5）以铝合金为试验材料，验证了激光液态填充焊在改善焊接过程稳定性、有效降低焊缝气孔率、提高焊速速率上的明显优势。通过本项目的研究，拓宽了激光焊接过程中熔池、匙孔物理特性的理解与描述，研究结果对其它需添加合金元素的高能束加工过程（如电子束焊接、激光熔覆、激光增材制造等）的熔池行为控制都有重要借鉴意义。 以上研究工作共计发表论文8篇，其中SCI论文1篇, EI 7篇；申请发明专利2项，获得授权发明2项；培养硕士研究生4名，博士生2名；在国际会议上宣读论文3次。

针对激光填丝焊过程对中精度要求高、能量波动、匙孔不稳定等问题，本项目提出了激光液态填充焊新方法。采用TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧预熔焊丝，以液态形式进行振动填充，避免了激光因熔丝而产生能量损耗与波动，及填充焊丝对匙孔的直接冲击，有效提高焊接过程稳定性和焊接效率。项目将研究焊丝预熔与振动填充过程的能量作用机制及液滴分离驱动模式，实现高速度激光焊条件下的填材液相稳定性控制。通过对液态填充过程熔池流动行为与匙孔三维动态行为的研究，阐明液态填充激光焊熔池的传热、传质机制；试验研究铝合金液态填充模式下的光纤激光焊接特性与填充元素的扩散行为，验证填材液相特征控制机理，获得激光液态填充焊过程控制与适用性的基础数据。本研究对需要自动填材的其它激光加工、自动化焊接过程控制都具有重要的科学意义和应用前景。

熔化焊接时，在热源作用下，焊件上形成的具有一定形状的液态金属部分被称的焊接溶池。弧焊过程中，电弧下的熔池金属在电弧力的作用下克服重力和表面张力被排向熔池尾部。随着电弧前移，熔池尾部金属冷却并结晶形成焊缝。

焊缝的形状决定于熔池的形状,熔池的形状又与接头的形式和空间位置、坡口和间隙的形状尺寸、母材边缘、焊丝金属的熔化情况、熔滴的过渡方式等有关。接头的形式和空间位置不同，则重力对熔池的作用不同。焊接工艺方法和规范参数不同,则熔的体积和熔池的长度等都不同。平焊位置时熔池处于最稳定的位置,容易得到形良好的焊缝,在生产中常通过焊接变位机等装置使接头处于水平或船形位置进行焊接。而在其他空间位置焊接(横焊、立焊、仰焊、全位置焊)时,由于重力的作有使熔池金属下淌的趋势,因此要采取特殊措施(例如施加脉冲电流等)控制焊缝成形。当坡口和间隙、焊接规范参数等不合适时，也有可能产生焊缝成形方面的缺欠。2100433B

拟通过对运动电弧作用下TIG焊接熔池形态瞬时行为的数值模拟，分析TIG焊接熔透熔池三维表面变形的动态行为；利用特制光栅-激光频闪视觉技术测试不同焊接工艺条件下的熔池三维表面变形。数值分析与实验测试相结合，定量描述熔池表面变形与工件熔透程度的相关性，研究熔池熔透瞬间以及不同熔透程度所对应的熔池表面变形，构建熔透程度的特征参量和焊穿产生倾向的判定方程，定量描述焊接工艺参数-熔池表面变形-工件熔透程度-焊穿产生倾向之间的内在联系，实现基于熔池表面变形对熔透程度和焊穿的预测。这对于焊接熔透控制、焊接工艺优化和焊接过程分析都具有重要的理论意义和工程实用价值。 2100433B