真空环境下激光深熔焊过程物态变化与熔池、匙孔动态行为研究

Aiming to the considerable improvement of penetration and defects during deep penetration laser welding under vacuum, the aluminum and titanium alloy are chosen to study the influence of environment pressures on the welding characteristics, plasma, dynamic molten pool and keyhole in a vacuum chamber. The change of materials physical properties and evaporation characteristics under different subatmospheric pressures are also analyzed to obtain the critical pressure range for stable welding features, and the process sensitivity. Based on the 3D molten pool images monitoring and FEM numerical simulation technologies, the correlation of mass states transformation, space thermal boundary condition and dynamic behavior of molten pool and keyhole are described by physical and mathematical modes, the mechanism of laser beam energy transmission, heat and mass transfer in molten pool of deep penetration laser welding in vacuum are clarified in this work. Furthermore, the influence of evaporation characteristics, flow behavior and cooling rate of molten pool metal induced by subatmospheric pressures on element diffusion, solidification and microstructure are analyzed. The research achievements will lay the theoretical and technological foundation for the development and application of novel laser welding technology under vacuum.

针对真空负压环境下激光深熔焊接表现出的深熔增大、缺陷消失等明显的焊接特性，选择铝合金、钛合金为材料，在真空舱内系统研究真空度对激光深熔焊的焊缝成形、等离子体、熔池与匙孔等物理特征的影响，分析不同真空度下材料物理性质、蒸发状态的变化规律，确定焊接特性达到稳定的临界真空度范围及其工艺敏感性；基于熔池与匙孔形态的图像监测与有限元数值模拟技术，建立材料物态转变、空间热边界条件与熔池、匙孔三维动态行为之间相关性的物理与数学描述，揭示真空环境下的光束能量传输与熔池的传热传质机理；进一步，分析真空激光深熔焊过程熔池金属的蒸发特性、流动行为、冷却速度的改变对微观组织均质性、金属凝固行为的影响。为真空激光焊接这一新技术的开发和应用奠定理论与技术基础。

项目针对真空环境下材料物性、空间换热条件的改变对激光焊接过程金属蒸气与等离子体状态、匙孔与熔池动态行为的影响做了系统研究，从等离子体光谱学分析、熔池流动行为以及焊缝组织性能等方面阐明并验证了真空环境下激光深熔焊工艺的适应性，并基于此提出了其工艺特性达到稳定的临界真空度范围。1）通过对焊缝成形、表面熔池及等离子体等物理特征受真空度的影响规律研究，确定了焊缝成形及等离子体达到稳定的真空度条件，定义了真空环境激光焊接工艺的临界真空度范围在10Pa左右；在临界真空度下，利用30kW超大功率激光器首次获得铝合金最大熔深104mm，比惰性气体保护焊接环境提高6.4倍；与常规焊缝相比，焊接接头平均硬度和抗拉强度分别提高了8.0%和20.7%。2）计算分析了不同环境压力对铝合金物理性能的影响规律，阐述了真空环境激光焊接过程材料熔化-蒸发-电离等物态变化特征；首次通过质谱手段探测到激光等离子体中存在AlH化合物体系，确定其在真空环境下对激光能量传输有较大影响；基于等离子体光谱学信息和探测激光手段得到了真空环境下激光能量传输衰减的影响规律，在大气环境下，激光能量的衰减可达13.5%，真空环境下逐渐降低至仅为0.1%。3）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，获得了真空环境下的熔池流动特性与匙孔动态行为的完整三维信息；揭示了真空环境对焊接熔池传热传质行为、匙孔形态及流动特性的影响机制；发现在低的真空度下可通过提高焊接速度的方法，在获得较大熔深的同时获得高质量焊缝。4）以铝合金为试验材料，阐述了真空度引起的材料蒸发特性以及熔池流动行为变化，对焊缝组织均质性及合金元素扩散行为的影响；解释了真空度对熔池凝固行为及微观组织的影响规律；发现随着真空度的下降，其焊缝均质性及凝固都会得到一定的改善。通过本项目的研究，将熔池与匙孔三维图像监测技术与数值模拟技术有效地结合，用于研究真空环境下激光焊接熔池与匙孔的中的物理、冶金行为，科学地阐述材料物理性能、环境压力、换热条件等对熔池物态变化、热力学行为与凝固特征的影响，为真空激光焊接技术的应用与发展奠定理论与技术基础。.以上研究工作在国内外刊物发表论文9篇，其中SCI论文5篇，EI论文4篇；软件著作权1项。参加国际会议3人次，获得优秀论文奖2次；参加国内会议4人次，获得会议优秀论文奖2次。培养博士研究生3名，硕士研究生2名。