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謦5 1 4 3 s s 激光深熔焊接小孔效应的理论和试验研究 摘要 本文采用理论和试验相结合的方法系统地研究了激光深熔焊接g g l 7 ( p y r e x ) 玻璃时的小孔效应。论文首先使用德国p r o m e t e c 公司生产的l a s e r s c o p eu f f l 0 0 大功率激光束光斑诊断仪测定了激光束的模式，并采用高速摄影的方法清晰、完 整地观测到了激光深熔焊接g g l 7 玻璃时小孔的形状，为试验研究激光深熔焊接 时的小孑l 效应提供了一种试验方法。然后，论文根据实验得到的小孔形状，建立 了深熔焊接的纯热传导模型和热传导加对流换热模型，并分别采用差分法和使用 a n s y s 有限元分析软件进行了数值模拟计算。最后，论文针对两类模型的计算 结果以及试验结果，研究了聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度等焊接工艺参数对 小孔和熔池尺寸、形状的影响。 关键词：激光焊接小孔效应a n s y s 有限元分析 at h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o n k e y h o l e e f f e c t si nl a s e r d e e p p e n e t r a t i o n w e l d i n g t h ek 劬o i ee f f e c t si nd e e p - p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n go f g g l 7 俨y r 懿) g l a s sa r e t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l , t h el a s e r s c o p e u l j f 0 0 , ad i a g n o 蚶ci n s t r u m e n tf o rt h em e a s u r e m e n ta n dm o n i t o r i n go f h i g h - p o w e r m a t e r i a lp r o c e s sl a s e r s , i su s e dt om e a s u r eb e a mw i d t h , d i v e a g e n c ea n g l ea n db e a m p r o p a g a t i o n f a c t o r a tt h es a m e t i m e , ak e y h o l e c a nb e c l e a r l yo b s e r v e db y a h i g h s p e e d c a m e r aw h i l ew e l d i n ga n dat e c h n i q u eo fl a s e rw e l d i n gg l a s sg g l 7 ( p y r e x ) w a s d e v e l o p e dt og e tc l e a rp h o t o g r a p h so f t h ek e y h o l ef o rq u a n t i t a t i v es t u d y s e c o n d l y , a t h e o r ym o d e lf o ro n l yc o n s i d e r i n gs i m p l ec o n d u c t i o na n dam a t h e m a t i cm o d e lf o r t a k i n gi n t oa c g o t m tb o t hc o i 妣d d o na n dc o n v e c t i o ni nt h ew e l d i n gp o o la r eg e n e r a l l y b u i l t b o t ht w ot y p e so fm o d e l sa l ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ( f d m ) a n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s e p a r a t e l y f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so f c a l c u l a t i n g t w ot y p e so fm o d e l sa n dt h ed a t a so b t a i n e d 丘o mt h e d e e p - p e n e t r a t i o n l a s e r w e l d i n ge x p e r i m e n t s o fg 0 1 7g l a s s ，t h ee f f e c t so fs u c h p a r a m e t e r sa st h es i z eo f f o c a ls p o t , f o c a lp o s i t i o na n dw e l d i n gs p e e d o nt h es h a p ea n d f e eo f t h ek e y h o l ea r ei n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：l a s e rw e l d i n gk e y h o l ee f f e c t sa n s y s f e m 激光深熔焊接小孔效应的理论和试验研究 详细摘要 研究生张屹 指导老师李力钧教授 中文摘要( 略) a b s t r a c t ( 略) 第一章概论 随着大功率激光器的出现，尤其是激光，竦的功率密度地不断提高，激光深 熔焊接技术在工业生产中的应用日益广泛。本章首先在综述中谈到了激光焊接的 本质特征是存在着小孑【鼓麻从而指小小孔张应皋激 * 深捧；焊接研究的热点和难 点。接着本章简单阐述了小孔作用的机理、小孔的两种吸收机制小孔孔壁的 反射吸收和等离子体的反韧致辐射吸收，回顾了激光焊接数学模型的发展概况。 第二章激光焊接小孔的试验研究 本章首先使用u f f - - 1 0 0 ，采用3 点测量法可以测得激光m 2 ，试验中使用的 激光器为自制的p h c - - 1 0 0 0 c 0 2 激光器实测m 2 为12 6 ，为近基模激光。然后 选择了g g l 7 玻璃这种抗热震性好且软化温度与汽化温度相差较远的透明材料作 为工件材料，采用特殊设计的实验装置，通过高速摄影方法首次清晰而完整地观 测到了激光深熔焊接时的小孔形状。利用针孔扫描的原理，测量了聚焦光斑尺寸 及光斑内的能量分布状况。试验研究了离焦量、焊接速度、激光功率等激光焊接 工艺参数以及等离子体对激光深熔焊接小孔与熔池形状和尺寸的影响。 第三章小孔的数学模型 本章在分层假设小孔为圆柱体形的前提下，建立了两个数学模型：建立了激 光深熔焊接时的纯热传导模型，采用差分法对数学模型作了离散化处理，并给出 了程序流程图；建立了激光深熔焊接时的热传导加对流换热模型，考虑了激光加 工时熔池流动对温度分布的影响，采用有限元法对数学模型作了离散化处理：而 本章的重点则主要在于热传导加对流换热模型。由于深熔焊接时，小孔的深径比 小，一般来说h d l ，即小孔的深度h 远大于小孔的直径d ，所以该模型具有以 下特点：( 1 ) 小孔上表面的孔径不一一定等于激光的直径，即两者都具有自适应的 调节功能；( 2 ) 小孔的中心线不是一条直线，而是一条向后弯曲的曲线，且这条 曲线是以试验照片为基础拟合出来的；( 3 ) 考虑了相变和、流动效应对温度分布 的影响；( 4 ) 考虑了材料的物性参数温度依存性。 第四章深熔焊接热传导加对流换热模型的数值模拟 本章主要采用差分法和使用a n s y s 软件对上一章的两类模型数值求解，菀： 对两种模型的计算结果以及试验结果的进行了比较，研究了小孔形状、尺寸以及 焊接速度等参数对激光深熔焊接过程的影响，进而分析了熔池对流流动在激光深 熔焊接过程中的作用以及小孔形成和存在的机理。 第五章全文总结( 略) 符号表( 略) 参考文献( 略) 致谢( 略) 二零零二年三月 塑堕查堂塑苎塑堕墨茎皇垫些璺圭堂焦望些笙塞 苎二皇堡垒 第一章概论 随着大功率激光器的出现，尤其是激光光束功率密度的不断提高，激光深熔 焊接技术在工业生产中的应用日益广泛。与普通焊接相比，激光焊接具有以下优 点：( 1 ) 熔深大，速度高，单位时间熔化面积大，是一种高效的焊接方法。( 2 ) 焊缝深宽比大，比能小，热影响区小，焊接变形小，特别适合精密、热敏感部件 的焊接，常可以免去焊后矫形等加工工艺。( 3 ) 一般不加填充金属，如用惰性气 体保护，则焊缝不受大气污染。 图1 1 激光深熔焊接示意图 激光深熔焊接的本质特征是存在着小孔效应，其中起主要作用的不是激光的 功率，而是激光的功率密度值。图1 1 为激光深熔焊接示意图。当一束能量密度 极高的激光( 一般来说功率密度超过1 0 9 w m 2 的高能束流) 照射到金属材料表面 时，材料将瞬时气化，并在束流压力和蒸气压力的共同作用下形成一个细长型类 似圆柱的“匙孔”( k e y h o l e ) ，“匙孔”又称为“小孔”。小孔内的金属蒸汽继续在 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章概论 高功率密度的激光作用下产生电离，从而在小孔内部及上部形成定浓度的高温 等离子体，并通过f r c 帆s n e l 吸收和等离子体的反韧致辐射吸收将能量传递给周围 的材料使莼熔化，在小孔周围形成熔化池如图l 一1 所示。小孔和等离子体的形成 改变了激光与材料相互作用的机理。在小孔和等离子体形成之前，激光的能量主 要是通过热传导方式向工件内部传递，焊接过程属于传导型焊接。而一旦小孔和 等离子体形成之后，激光的能量则主要依靠小孔效应而直接为工件内部所吸收， 焊接过程变为深熔焊接。我们把这种焊接过程称之为小孔焊接。这种焊接能获得 极小的熔化区和热影响区并能净化焊缝，从而减小焊缝中诸如内应力、裂纹、气 孔等缺陷。 可见，激光深熔焊接是一个十分复杂的过程，影响因素多，研究内容广。具 体说来，包括材料对澈光的吸收、材料的固态加热及相变( 熔化、汽化) 、小孔和 等离子体的形成及其在激光能量耦合和传输过程中的作用、小孔内材料蒸汽和熔 池内液态材料的流动、材料热物理参数的变化、小孔的稳定性、熔池表面的变形 以及各种焊接工艺参数对焊接质量的影响等诸多方面。因此，激光深熔焊接机理 的研究势必涉及到激光物理学、光学、等离子体物理学、传热学、流体力学、气 体动力学、材料科学、数学和计算机科学等众多学科和领域，给其系统研究带来 了很大的困难。 在上述激光深熔焊接所涉及的各个方面中，小孔效应是关键，也是激光深熔 焊接研究的热点和难点。研究小孔效应，不仅要研究小孔形成的条件，而且要研 究小孔的形状、尺寸、稳定性及其影响因素，更为熏要的是要研究小孔效应在激 光深熔焊接过程中的作用。可见，激光深熔焊接小孔效应的研究不仅具有较高的 理论意义，而且有重要的实用价值。 1 2 小孔的作用机理 随着工件相对光束的移动，小孑l 保持稳定并在材料中移动。小孔周围为泪滴 状的熔池所包围。小孔内充满金属蒸汽形成的等离子体。 小孔是材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融材料抛出所形成的。为形成小 孔，汽化压强应该平衡表面张力、静水压力和使液相材料抛出的流动阻力。孔底 汽化压强1 1 1 为 2 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章概论 e ( z ) 一2 0 i r , + p g z + _ p c 厂) ( 1 1 ) 式中。为孔底处液气界面的表面张力，l t z 为孔底处的曲率半径，p 为液体 材料密度，g 为重力加速度，z 为孔深，p 国为液体流动阻力产生的压力。 1 2 1 小孔孔壁的反射吸收 在激光深熔焊接过程中，小孔的形成对激光与材料间的能量藕合机制影响很 大。这一点已为激光深熔焊接的实际情况所证实。在小孔形成以前，激光入射到 工件表面上，一部分被反射，一部分被工件材料所吸收，吸收的能量转化为热能 并通过热传导的方式向工件材料内部传递，焊接过程属于热传导焊。由于大部分 金属材料表面对激光有着强烈的反射，因此在激光热传导焊中，大部分的激光能 量被工件表面反射损失掉了，激光能量的有效利用率不高。尤其是对于二氧化碳 这样的长波长激光而言，情况更为严重。但是，一旦小孔形成，情况就有了根本 性的改变。当小孔形成以后，激光直接入射到小孔内部，并在小孔孔壁上发生多 次反射，每次反射都有部分激光能量被小孔孔壁所吸收，如此经过孔壁的多次反 射吸收而使得工件材料对激光的吸收大大增强。这个过程叫f r e m e l 吸收。它是小 孔效应的一个主要方面。f r e s n e l 吸收是小孔壁对激光束能量的主要吸收机制之 一。对于功率密度为i 。的激光束入射到倾角为。小孔壁上，一部分被熔融的金属 吸收，一部分被反射，经过一次的反射和吸收后，反射光的功率密度为i ，则有： i = i 。( 1 一r ( e ) )( 1 2 ) 其中，艮为激光的反射率，由激光的入射角0 所决定。 对于圆偏振光而言，每次反射时的反射率可用如下的f r e s n e l 公式来计算【2 】： 删一圭c 等篙c o 筹s 0 + 舞寡c o s 黯o2 c o s0 ”。， 、 2 、1 + ( 1 + 1 。+ 2 + 。 、 7 其中 式中 r 。i 霄可南i 矛 ，z ， 8 1 “12 + ( a “m o ) 2 】“2 o ：真空介电常数( 8 8 5 4 x1 0 1 2 f m l ) e 。；材料介电常数实部 3 ( 1 4 ) 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章概论 e ，：等离子体介电常数实部 ：激光频率 o 。：单位深度金属的导电率 公式( 1 - - 3 ) 就是著名的f r e s n e l 公式。对于s 偏振光和p 偏振光，反射率的 计算公式可分别表示如下： 即) | 器篙筹 ”s ) 卵) = 丢黧黑 ”e ) 对f 低碳钢而言，这些量的典型值如下( r d u c h a r m e 等人p l ，1 9 9 4 ) ： 1 = 1 ，2 = 1 ，a - 5 0 1 旷q m 吐 对c 0 2 激光，0 2 = 1 7 8 x10 1 4 s 1 1 2 2 等离子体的反韧致辐射吸收 小孔吸收另一个机制是通过等离子体对激光的反韧致辐射吸收。在激光深熔 焊接过程中，当激光的功率密度达到一定的阈值( 对钢铁材料而言，约为1 l 以 r f 嘲2 ) ，小孔内的材料蒸汽或周围气体在激光作用下发生电离，从而形成光 致等离子体。激光深熔焊接过程中可能形成的光致等离子体有材料蒸汽等离子体 和周围气体等离子体【l l 。对于大多数金属材料而言，由于其电离能比较低“氐于保 护气体的电离能) ，金属蒸f t - g 凋围气体易于电离，所以常形成金属蒸汽等离子体。 但在激光功率密度很高而周围气体又流动不畅时，也可能形成气体等离子体。光 致等离子体不仅存在于小孔表面之上而且也充满小孔内。 关于等离子体对激光的反韧致辐射吸收，国内外许多学者进行了理论分析和 试验研究 4 - - 1 6 1 。等离子体吸收能量，通过对流和辐射将能量传给孔壁。由于等离 子体吸收，穿过小孔到达小孔底部激光功率密度下降，而小孔底部的激光功率密 度对于产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔是至关重要的，它决定了加工 过程的穿透深度。 4 湖雨大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章 概论 1 3 激光焊接数学模型的发展 目前对激光深熔焊接小孔效应的研究主要有试验研究和模拟研究两个方面。 试验研究是模拟研究的基础，具有直观性强的优点，但所需的研究时间长、费用 商，而且研究结果缺乏系统性、归纳性。相反，通过对激光深熔焊接过程小孔效 应的模拟，不仅能加深对激光深熔焊接机理的认识，而且能预测各种加工参数和 条件对焊接结果的影响，优化激光焊接的工艺参数，大大减少试验研究费用和时 间。但是，模拟研究结果正确与否，只能通过实验来验证。 为了直观研究激光深熔焊接的机理，国内外许多研究人员对各种材料的焊接 作了极为广泛的试验研究。如a r a t a l l 7 1 - - 1 1 8 1 等人对比试验了多种透明材料后最终选 择玻璃作为焊接试件，通过高速摄影方法直接观测了激光深熔焊接钠玻璃时的小 孔形状。后来，a 胁1 1 9 l 等人又采用x 射线穿透摄影的方法观测了激光深熔焊接金 属材料时的小孔形成和形状。1 9 8 5 年，a _ r a t a i m l 等人又采用相同的办法观测了真 空条件下激光深熔焊按时的小孔和等离子体的形成情况。实验发现：在真空条件 下，等离子体几乎可以被完全抑制，此时小孔的形状和尺寸随气压变化不大。1 9 9 8 年m a t s u n a w a 口l l 等人采用光学方法以及x 射线转换成像系统通过高速摄影的办法 观测了激光深熔焊接过程中小孔和熔池的动态特性。结果发现：不论是在连续还 是脉冲激光焊接过程中，即使激光功率维持不变，小孔前沿吸收的激光能量也不 是均匀的，而是随时间和空间循环变化的，相应地，小孔前沿汽化点的位置也是 随时间而改变的，因此，小孔和熔池也不是稳定不变的，而是剧烈波动的。 但是，对于大多数工程材料而言，要直接观测激光深熔焊接中的小孔是非常 困难的。所以，相比激光深熔焊接小孔效应的试验研究而言，理论研究则要多一 些。研究深熔焊接，建立激光焊接的数学模型主要有两种方法：解析法和数值模 拟法。解析法是在对焊接过程物理本质理解的基础上，通过推导求解数学方程直 接求出模型。数值模拟法是利用现有的数学计算方法建立模型，例如数值差分和 有限元以及人工神经网络法。由于焊接过程的复杂性，在计算过程中往往采用了 一定的假设，同时实际焊接条件下，金属的物理和冶金特性的准确实验数据不完 全，这些因素都会影响模型的精确性和理论预测能力。 激光深熔焊接小孔效应的模拟研究的难点之一是关于小孔的处理。内容包括 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章概论 小孔的形状、尺寸、温度、小孔内的压力平衡以及小孔在激光能量传递过程中的 作用等。 早在1 9 4 6 年，r o 溯n l l a l 瞄1 针对薄板的传统焊接方法，就建立了移动线热源 的模型，并求出了其解析解。该模型成为了后续许多激光深熔焊接模型的基础。 a n d r e w s t 8 l 则利用这一模型计算出了不同p e e l e r 数下的熔化等温线；s w i f t - - h o o k 和g i c k 剀以及c l i n e 和a n i l l 伽】都建立了相应的移动线热源模型，不同的是前 者假设线热源的强度均匀不变，后者则假设线热源的长度是有限的。上述几个移 动线热源模型都没有考虑固沿湘变的影响。后来，p c r d 硐在考虑圃液相变影响 的前提下，建立了一个二维移动线热源模型。在上述移动线热源模型中，都假设 小孔为直线，而且线热源的位置始终与激光光轴重合。这与激光深熔焊接实际 情况不符。在激光深熔焊接过程中，小孔的中心线并不是一根与光轴重合的直线， 小孔的中心线在其移动方向上会发生向后沿的弯曲。这已经被激光深熔焊接的实 验研究所证实。k 印l 趾鲫建立了一个基于计算小孔形状的激光深熔焊接数学模型。 该模型首先根据r o s e n t h a l 的移动线热源模型所得到的温度场的解析解推导出了 小孔壁上各点的热流密度计算公式，然后综合考虑了小孔内等离子体的反韧致辐 射吸收和孔壁的多次反射吸收，建立了孔壁各点的能量平衡方程，再通过逐点求 解能量平衡方程来计算激光深熔焊接的小孔形状。与前述移动线热源模型的不同 之处在于：该模型并不假设线热源为一与光轴重合的直线，而是通过逐层求解能 量平衡的方式来计算确定小孔不同深度处线热源相对于激光束轴线的位置。 由于焊接过程中产生的等离子体本身就相当于一个高温热源，如果采用上述 单一的移动线热源模型来描述激光深熔焊接时的能量传输特征是不符合多数激光 深熔焊接实际情况的。为此，s t e e n l “l 、a i d 吐a p 】、刘建华刚等人都建立了点线组 合移动热源模型。这些模型把等离子体对工件的加热作为一个点热源，还把激光 束作为一个线热源来处理。模型通过改变点热源的强度和位置，计算得到了不同 焊接条件下的焊缝截面形状。不管是线热源模型还是点线组合热源模型，都 是把激光束看成是在空间或空间某些方向上高度集中的热源来对待，这与激光束 在空间的实际能量分布状况 u d , 孑l 的实际形状有很大的差异。因此这些模型虽然 能在一定程度上简化激光深熔焊接过程的分析计算，但这种处理方式是粗略近似 的。如果按照线热源模型来计算，那么线热源处材料的温度将为无限大，显然这 是违背物理上的真实性的。所以线热源模型只能用于描述线热源较远处的温度场， 6 湖南大学机械制造及其自动化硬士学位毕业论文 第一章概论 表1 - - 1 激光深熔焊接的数学模型 发表时间模型研究重点 1 9 8 9稳定的圆柱状小孔，半无限大板。研究熔池内的热毛细流动，熔 池的振动。 1 9 9 1圆锥状小孔。等离子体的反韧致辐射吸收，小孔的f r e s n e l 吸收， 建立焊缝形状模型。 1 9 9 1 小孔表面随时间变化的能量和动量边界条件a 利用数值分析的方 法建立了速度场和温度场模型。 1 9 9 2二维轴对称模型。研究了小孔内的光束多次反射，熔池流动、剪 应力。 1 9 9 3圆柱状小孔表面随时间变化的能量流动。研究温度曲线，小孔塌 陷和焊缝宽度。 1 9 9 4有限差分计算，小孔形状、表面张力和烧蚀压力平衡。建立了焊 缝横截面模型，小孔形成条件。 1 9 9 5高斯光束，小孔固液界面能量平衡。建立了小孑l 形状、熔池形状、 温度场分布。 1 9 9 6小孔内多次反射吸收，固态和液态的热传导、熔池流动和气体流 动，等离子的热传导、热毛细现象。建立了熔池速度场、小孔形 状模型。 1 9 9 7等离子体的光谱分析。建立了等离子体的成分、温度空间分布模 型、等离子梯队激光束吸收模型。 1 9 9 7 固液界面能量平衡，表面张力、烧蚀压力和气化反冲压力的平衡， 自由边界条件。建立了小孔的3 d 形状模型。 1 9 9 8 等离子体的光谱分析和高速摄影。研究了等离子体的空间分布。 非线性时间序列法分析，等离子体数学模型。 1 9 9 8 高速激光焊接条件下，小孔与光束不共轴，小孔壁压力和能量平 衡。研究了随时间变化的小孔动态模型。 7 湖南大学机械制造及其自动化硬士学位毕业论文 第一章概论 而不能用来计算线热源邻近地区的温度场。实际上，小孔是有一定尺度和形状的， 因此把小孔作为一个有定尺度的体积面热源来处理更为合理些。通过对小孔隋 况作出种种特殊的假设，建立了多个激光深熔焊接模型。n o l l e r p l l 针对电子束焊 接在假设小孔为圆柱形且孔壁温度为汽化温度的前提下，建立了一个移动圆柱体 热源模型。该模型同样也适用于激光深熔焊接。s i m o n l 3 2 1 等人则在假设小孑l 为圆 柱体且孔壁各处的热流密度相等( 不假设孔壁的温度为汽化温度) 前提下，建立 一个移动圆柱体热源激光深熔焊接数学模型。表1 一l 则为近年来深熔焊接数学模 型的比较p ”4 l 。 1 4 本文研究的主要内容 本文旨在通过理论和试验相结合的研究方法较深入地研究激光深熔焊接中的 小孔效应。具体研究内容如下； ( 1 ) 使用l a s e r s c o p eu f f l 0 0 光斑诊断仪测量了激光束的模式和光斑尺寸。并 采用特殊设计的试验装置，通过高速摄影方法，直观地研究激光深熔焊接 玻璃时激光模式、光斑尺寸、激光与小孔的相对位置以及激光功率、焊接 速度、焦点位置等焊接工艺参数对小孔形状的影响。 ( 2 ) 建立了深熔焊接的纯热传导模型和热传导加对流换热模型，并分别采用差 分法和有限单元法进行了数值模拟计算，得到了它们的数值解，并对两类 模型的计算结果作了比较。 ( 3 ) 对比分析了理论计算结果和试验结果。 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第二三箩邀堂塑董! ! 塾塑垦墅竖塞 第二章激光焊接小孔的试验研究 小孔的形成是激光深熔焊接得以进行的前提和基础，所以国内外都 进行了大量的试验研究t ” 2 。为了能直观地研究激光深熔焊接中的小 孔，本章我们首先通过试验测量了聚焦光斑的尺寸及其能量分布：然后 采用高速摄影的方法观测了激光焊接玻璃时的小孔形状，试验研究了离 焦量、焊接速度、激光功率、保护气体等焊接工艺参数对小孔形状和稳 定性的影响。 2 1 光束模式的测量 在第一章中已经谈到在激光焊接中，激光功率还不是主要参数，起 主要作用的是激光的功率密度值，这是激光深熔焊接的一个特点。在激 光功率一定的情况下，激光的功率密度又主要由激光束的模式所决定。 大多数工业用激光都要求高质量的t e m o o 高斯光束。科学实验已经证明 3 5 1 只有高光束质量的激光束才在聚焦后获得极细的聚焦光斑应用于某 些工业加工领域，如激光切割，激光打孔等。激光束的模式包括激光束 的光束质量、光束模式以及光束横截面能量分布。光束模式决定了激光 聚焦后焦点处的能量分布，对激光焊接时小孔的形成有着重要的影响。 激光束为基模时，可以获得最大的焊缝深度与宽度比，光束模式的阶次 越高，激光束的能量分布越发散，焊接质量越差。 2 i 1 试验装置 1 l a s e r s c o p eu f f l 0 0 光斑诊断仪简介 本文试验采用的是德国p r o m e t e c 公司生产的l a s e r s c o p eu f f l 0 0 大 功率激光束光斑诊断仪。它可以测量c 0 2 和n d ；y a g 两类激光器所发 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第二章激光焊接卅迅的试验研究 出的激光束及其聚焦焦点。其测量原理如图2 一l 所示。激光光束入射 到安置在旋转头上的空心针，空心针一头打有不同孔径的小孔，并在两 头都各装有一面小反射镜。小孔采样激光束并通过空心针上的两面小反 射镜照射到位于旋转头上方的一个热电探测器上。旋转头通过绕z 轴的 旋转运动和x 方向的进给运动获得整个激光束横截面能量分布的探测。 选择不同孔径的铜针，可以测量不同功率密度的激光束，包括聚焦和非 图2 1l a s e r s c o p eu f f l 0 0 测量原理图 聚焦光束。从探测器获得的激光束能量分布的数据被传到一台计算机经 处理后存入磁盘，以便日后读取。 2 p h c 1 0 0 0 c 0 2 激光器 试验所用激光器为自行研制的p h c 一1 0 0 0 折叠式准封离型c 0 2 激 光器。该激光器由水冷石英管构成，总长2 5 米，十重折叠( 如图2 2 所示) 。在管群的两端用微膨胀合金管将他们连接成一个刚性的珩架， 再用弹簧将这珩架吊装在机壳上，所有谐振腔镜均直接或经由微调装置 贴在石英管端。特殊的结构和微膨胀材料保证了谐振腔的机械和热稳定 性。所用的谐振腔为多镜腔，加大模体积，提高输出功率。采用分段直 流激励，为保证最大放电管长度下各放电管同时起辉，用多台工频直流 高压电源，每台电源给两相邻放电管供电。激光器运输中，激光管用1 6 根弹簧吊装在机壳中，固有频率为5 赫兹，抗震性好( 如图2 3 所示) 。 1 0 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第三童堂堂塑堡塑塑堕! 垒! 堕 图2 2 折叠结构示意图 图2 3p h c 一1 0 0 0 激光器全貌 2 1 2 数据采集 1 测量方法 国际上普遍采用光束远场发散角和衍射极限倍因子m 2 或光束传输 因子k 值来表示光束质量。一般说来，m 2 是用来定义激光聚焦后的光 斑尺寸，如式( 2 一1 ) 所示 d o m 2 4 v 蛾 ( 2 一1 ) 式中，d 。为激光聚焦后的光斑尺寸 九为激光束的波长 f 为聚焦透镜的的焦距 d 。为输入多模激光在透镜焦距处的柬腰直径 式2 1 表明，激光聚焦后的光斑尺寸d o 是束腰直径为d o 的纯 t e m o o 商斯光束的m 2 倍。所以如果m 2 = 2 ，则意味着聚焦光斑尺寸是 t e m o o 激光聚焦后光斑尺寸的2 倍，而与光斑尺寸的平方成正比的功率 密度则只有t e m o o 激光聚焦后的1 4 。 然而要获得精确的m 2 数和k 值相当困难，原因是在测量m 2 或k 值时，往往需要忽略一些影响因素。目前国内还没有很权威的测量手段。 因此根据1 s o1 1 1 4 6 ：1 9 9 9 ( e ) 3 5 3 8 1 的定义， 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第二章激塑接小孔的堕验研究 有；4 + b z + c ：2( 2 2 ) 因此在光束传输方向上截取三个平面，分别用光束质量分析仪测 出三个光束直径值。测量时打开a v e r a g e 开关，并将n 定义为5 ，即每 个截面位置测量5 次，取平均值作为该截面光束直径值。由于z 的取值 与坐标无关，所以可以将坐标原点定义在激光器窗口处。为了尽可能的 减小测量误差，测量位置选在腰斑的两侧，且截面间的距离尽可能的大。 因此将测量的第一个截面位置选在z l = l m 处，其余两个截面间隔为2 m 。 ( 如图2 4 ) 、 图2 - - 4 光束测量位置示意图 图2 - 5 激光烧斑照片 2 测量结果 图2 5 为在腰斑处拍摄的激光烧斑照片。用u f f l 0 0 光束质量分 析仪测得功率密度分布如图2 - - 6 。从图上可以定性地看到该光束光强基 本从中心向外平滑降落，为高斯分布。通常将光强降落到中心值的l i e 2 处的点定义为光斑半径，在该半径的圆内包含了约8 6 的光束能量。根 据该定义可以分别测得3 个截面处的光斑直径。( 如图2 - - 7 2 9 ) 由图4 7 4 9 有可测得z = 1 、2 、3 处的光斑半径见表2 1 ， 表2 一l 测量结果 测量截面至窗口距离z ( m )平均光斑半径r ( m ) 1 0 0 0 4 5 9 300 0 3 7 8 50 0 0 4 1 0 图2 6z - - - - - 2 m 处功率分布图 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第二章激光焊接小孔的试验研究 图2 7z = l m 处光斑半径 图2 8z = 3 m 处光斑半径 1 4 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 2 1 3 数据处理 得： 图4 9z = 5 m 处光斑半径 将表2 1 中的测量结果代入式2 2 中， a = 1 1 2 e 一4 m ； b = - 3 2 2 e - 5 m ： c = 4 6 5 e 6 m 又在i s o1 1 1 4 6 ：1 9 9 9 ( e ) 中有如下描述： ：。而- b ( 2 - 3 ) 2 。面 式中 吃为激光束在z 处的光束直径 气为激光束的束腰位置； 吃。为激光束的束腰直径； 1 5 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 k 为光束传输因子； m 2 为衍射极限倍因子； 入为激光的波长( 由于使用c 0 2 激光器，所以九= 1 0 6 um ) ： 为激光束的发散角。 将a 、b 、c 的值代入式2 3 2 6 中，可以求得： z c 一3 4 6 m ；以。一7 5 r a m ；k = 0 8 ； m 。21 2 6 ；e 一2 1 5 m r a d 2 2 小孔、熔池形状的实验观测 在第一章中，我们谈到在激光深熔焊接小孔效应的建模中，大多数 的模型都是把激光当作线热源或是线热源和点热源的组合来处理的。如 果只计算离小孔较远处的温度分布，这类模型的误差较小；但若是需要 计算小孔附近的温度分布以及熔池中的速度分布，则与实际情况相差较 大，因为小孔是具有一定形状和尺寸的d , - l 。这一点可以从以下的实验中得到 证实。 r _ , r a l ? 试件 图2 1 0 小孔观测装置示意图 1 6 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第二章激光焊接小孔蚴墼研赛 2 2 1 实验装置 实验原理图如图2 1 0 所示。激光经焦距为8 0 r a m 的g a a s 透镜聚 焦后入射到工件表面上，工件放在工作台上并随之以速度u 移动。采用 同轴压缩空气保护聚焦镜，并采用4 5 度斜吹舡( 流量为1 5 m 3 h ) ，以 吹走焊接过程中产生的喷溅物。采用高速摄影方法来观测小孔形状，曝 光时间为1 1 0 0 0s 。为了衰减焊接过程中所产生的强光便于摄像，在工 件与摄像机之间放置一片焊接用滤光片。 图2 - - 1 1 激光深熔焊接g g l 7 玻璃时的焊缝照片组 为了直观地观察激光深熔焊接中的小孔形状，我们试验了多种透明 材料，最后发现：在合适的焊接工艺下，选择g g l 7 玻璃作为工件材料， 可以得到没有裂纹的完整的焊缝，图2 一l l 即为激光深熔焊接g g l 7 玻 璃时的焊缝照片。焊接参数如下：激光功率为3 3 0 w ，焊接速度为 9 0 0 m m m i n 。g g l 7 玻璃之所以具有良好的可焊性就是因为这种玻璃的 软化温度和汽化温度相差很远，可以形成完整的焊缝；而且其抗热震性 好，在激光焊接过程中不易炸裂。 工件尺寸为5 0 4 0 1 5 r a m ，表面全部抛光。试验采用的激光器与 1 7 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 上i 面相同。 2 2 2 观测结果及讨论 我们首先试验研究了离焦量对小孔深度的影响，结果如图2 1 2 所 示，其中图( a ) 是不同离焦量下的d , ：f l 照片，图( b ) 是由此得到的小孔深度 与离焦量的关系曲线，图( c ) 是由图( a ) 得到的小孔直径与离焦量的 关系曲线。以焦斑深入工件内部为负离焦，反之为正离焦。实验条件如 下：激光功率为3 4 0 w ，焊接速度为6 0 0 m m m i n ，其他条件与上同。由 图可以看出：小孔深度随离焦量的增大而减小，以离焦量接近零( 即焦 斑位于工件表面附近) 时的小孔深度为最大。 - - 32- 101235 离焦量( m m ) ( b ) 八 一 ” ” ：三 ” ” ee)|趟错、f， 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 蠢焦羹l 神 ( c ) 图2 一1 2 离焦量对小孔深度、直径的影响 我们还试验研究了激光功率对小孔深度和直径的影响。实验条件如 下：聚焦g a a s 透镜的焦距为1 0 0 m m ，焊接速度为6 0 0 m m m i n ，激光功 率由3 0 0 w 5 8 0 w 变化，其他条件与上同。结果表明：小孔深度随焊接 速度的变化曲线如图2 一1 3 所示，其中图( a ) 是试验所得到的小孔照片， 图( b ) 是根据这些照片得到的小孔深度与焊接速度的关系曲线。实验条件 为：焦点位于工件表面上，其它条件同上。由图可以看出：随着焊接速 度的增大，小孔深度减小。 从图2 1 3 ( a ) 中，我们还可以测出各种焊接速度下工件表面处熔 池的长度、宽度，结果如图2 1 4 所示。由图可以看出：随着焊接速度 的增大，工件表面处的熔池长度、宽度趋于减小。 我们还试验研究了激光功率对小孔深度和直径的影响。实验条件如 下：聚焦g a a s 透镜的焦距为1 0 0 m m ，焊接速度为6 0 0 m m m i n ，激光功 率由3 0 0 w 5 8 0 w 变化，其他条件与上同。结果表明：激光功率对小孔 直径的影响很小，但对小孔深度的影响很大。图2 1 5 是小孔深度随激 光功率的变化曲线。由图可见：随着激光功率的增大，小孔深度也增大。 1 9 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 姑 划 一 4000 8 0 0 i q 0 0i 幻0 焊接速度( m m ，m i n ) ( b ) 焊接速度 ( c ) 图2 一1 3 焊接速度对小孔深度、直径的影响 粘 拈 拍 ” 伸 e 暑v m 日璐商 一 i 一 一 憎 噶 蝌 啪 眦 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 童 5 芝 恻 髑 足 受 魍 蛙 一熔池长度 一熔池宽度 焊接速度( m m l m i n l 图2 1 4 焊接速度对熔池长度、宽度的影响 3 0 a3 6 0 柏o4 6 0 激光功率伸) 图2 1 5 激光功率对小孔深度的影响 2 l 7 6 5 3 2 一一鲻臌谅、|， 湖南大学机械制造及其自动化硬士学位毕业论文 第二章激光焊接小孔的试验研究 2 3 本章小结 通过上面的试验研究我们可以得出以下结论： 1 使用u f f 一1 0 0 ，采用3 点测量法可以测得激光m 2 ，试验中使用的激 光器为自制的p h c - - 1 0 0 0 c 0 2 激光器，实测m 2 为1 2 6 ，为近基模激 光。 2 采用g g l 7 玻璃和高速摄影方法可以清楚地观测到激光深熔焊接的 小孔形状。 3 d q l 表面直径主要取决于光斑直径及其功率密度分布，且激光功率密度越大， , j q l 越深，小孔的形状越接近于圆柱形。 4 小孔深度随焊接速度的增大、离焦量的增大以及激光功率的减小而减 ，j 、。 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第三章小孔的数学模型 3 - 1 引言 第三章小孔的数学模型 上一章谈到建立激光深熔焊接时小孔的传热数学模型有两大类，一类模型是只 考虑了热扩散作用对温度分布的影响，忽略了相变和熔池中对流换热对温度分布 的影响；另一类模型则相对较为复杂，综合了热扩散作用和熔池中的对流换热对 温度分布的影响。本章针对这两种思路，建立了深熔焊接的纯热传导模型和热传 导加对流换热模型，并分别采有差分法和有限单元法对其方程离散化，且在第四 章进行了数值模拟计算，得到了它们的数值解。 3 2 激光焊接过程的物理描述 为了建立激光焊接的数学模型，首先要对被研究的激光焊接的物理过程进行 描述和定义。 图3 1 激光焊接示意图 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第三章小孔的数学模型 具有一定功率密度分布的激光束辐照在不透明的工件表面，工件可以是半无 限体，也可以是具有有限厚度和宽度以及无限的长度。其运动形式可以是工件沿 其长度方向( x 方向) 以不变的速度u 运动，光束则固定；也可以是光束沿工件 的长度方向以不变的速度u 运动，工件则固定。不过，第一种情况居多。如图3 一l 所示。 工件表面对激光的吸收率随温度而变化。当表面温度超过沸点时，即认为已 经气化，产生小孔，像绝对黑体一样将激光几乎全部吸收，反射率约降至零。工 件吸收能量中，有一部分通过表面对流辐射而散失，其余热量导入基体。具有一 定厚度的工件的上、下表面均有辐射能量损失，而对流换热则仅需考虑保护气流 的作用。 所研究的系统处于准稳定状态，即假定激光加工过程已持续了一段时间，使 得相对于静止的激光束而言，小孔及其空间的温度场分布处于稳定不变的状态。 对于大多数实际情况而言，这种准稳定状态在激光焊接之初很快就建立起来了。 3 3 深熔焊接的纯热传导模型 3 3 1 建立纯热传导数学模型的几点假设 激光焊接时，激光辐射在材料上，其光能被材料的一定区域( 通常是表层) 所吸收，并转化为热。热量通过热传导在材料内扩散，形成一定的温度场。而研 究焊接时的温度分布，了解深熔焊接的机理有利于激光深熔焊接时正确选择加工 参数，对把握激光加工效果同样有十分重要的意义。 在建立数学模型前先作几点假设： ( 1 ) 不考虑沿小孔深度方向的热传导，即假设层与层之间没有热量的传递。 因此模型是二维的。如图3 2 、3 3 所示。 ( 2 ) 假设材料的热物理性质( 如比热c 、密度p 、热传导系数k 以及热扩 散系数n ) 均为不随温度变化的常数。其值取为室温下的热物理参数 值。 ( 3 ) 假定材料是各向同性的材料。即，材料在各个方向上的热物理性质均 湖南大学机械制造及其自动化硬士学位毕业论文第三章小孔的数学模型 相同。 ( 4 ) 忽略材料汽化的影响。( 其原因见后) ( 5 ) 考虑准稳定状态。把坐标系取在小孔中心上，并随小孔一起以速度u 沿+ x 轴向移动。在这样的移动坐标系内，只要激光焊接过程持续了一 段时间，激光束周围的空间温度场即处于稳定的不变状态。 薯 耋 _ 忡 o 日- d 国舻薯 珊 0 绐 x i 厂 、 淤 d ， 图3 2 小孔的分层示意图图3 3 小孔薄层示意图 3 3 2 建立纯热传导数学模型的控制方程 为 在直角坐标系中，经典的具有内热源的三维非稳态导热的导热微分方程，l 式中 一c 詈叫窘+ 寄+ 害，+ 吼 c s 棚 p 为材料的密度； c 为材料的比热容； 塑a t 为温度对时间的变化率； 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第三童! ! 塾塑墼堂壁型 q v 为内热源。 根据对模型的假设，可以将上式改为， 量c 窘+ 争邓詈- 。 阻2 ， 式中：k 为材料的导热系数，根据假设这里为常数。 假定工件移动的速度保持恒定u ， 则时间： f 一言 代入上式，有： ( 3 3 ) 量( 窘+ 窘) - p c t sa 积r - 0 ( 3 _ 4 ) 为了处理问题的方便，改用移动极坐标系( lo ) 。对( 方程3 - - 4 ) 作坐标变 换x = r c o s0 ，r 髑i l lo ，则有， 置争x 古窘+ ( k + p c u