气流辅助增强匙孔激光焊的熔深增加机理研究

针对激光焊接所能达到熔深受设备限制这一问题，开展在船舰制造、核电设备、航空航天等领域具有广阔应用前景的气流辅助增强匙孔激光焊的熔深增加机理研究。提出对辅助增强匙孔气流和熔池保护气流的气体成分及参数分别进行控制的激光焊新方法。对于因两种气流不合理匹配而引起的匙孔不稳定波动的问题，一是在空间上采用相对隔离的布局减小其相互影响，二是优化其流场分布。采用数值模拟和实验监测相结合的方法，探明引入辅助增强匙孔气流后，对熔池和匙孔行为及等离子云特征的影响规律，给出其匙孔稳定性的表征参数；探索采用粒子图像测速技术定量测量等离子云流场特性的新方法，揭示其内部流动规律及与匙孔的相互作用;研究熔池及匙孔特征、等粒子云流动特征、表面张力与熔深增加之间的内在联系，揭示惰性气流和活性气流在熔深增加上的作用机制。此项目可望突破现有激光焊接在熔深增加上的限制，为气流辅助增强匙孔激光焊的开发应用奠定重要的理论和技术基础。

气流辅助增强匙孔激光焊是在不改变激光设备的前提下增加激光焊接熔深的有效方法之一。采用数值模拟和试验相结合的方法，研究了双独立喷嘴配置的辅助增强匙孔气流和熔池保护气流的相互作用，结果表明在较大的范围内熔池保护气流都不会改变辅助增强匙孔气流的流线方向。随着辅助增强匙孔气流的增加，将焊接窗口区域分为传统激光焊区、增强激光焊区、咬边区、驼峰焊道区等四类，并对不同窗口区域产生的机理和条件进行了分析。优化了辅助气流的吹气方向、气流入射点位置、气流流量，最大熔深较传统激光焊增加了约38%。引入辅助气流后，熔池形状变得狭长，熔池宽度减少可达25%，熔池长度增加可达48%，这增加了熔池停留时间，还有利于低熔点夹杂物和气体的排出，有助于降低焊缝的冷裂倾向，在合理控制气流参数时，未造成焊缝金属的过热、晶粒粗大等不良倾向。等离子体的产生和喷发的波动周期大致在2~10ms之间，随着辅助气流流量的增加，等离子云的面积都有逐渐减少的趋势，并且减小的速度很快，表明等离子体受到压制。根据HR-2不锈钢的焊缝组织和性能结果，与传统激光焊接相比，增强激光焊焊缝的柱状晶较短小，这是由于其焊缝较窄，热循环曲线中的最高温度降低，冷却梯度减小造成的；气流辅助增强匙孔激光焊的焊缝、热影响区显微硬度却与母材相当，这可能是引入的增强匙孔气流改善了焊缝金属的冷却条件，更少铁素体析出的结果；从X射线探伤和拉伸强度试验结果看，气流辅助增强匙孔激光焊与传统激光焊的气孔和拉伸强度大致相当，铝合金的气孔还有一定程度的减少。其熔深增加可能是由于匙孔内等离子体受到增强匙孔气流的压制，其向上喷发的流向发生改变，在未熔化的焊缝壁附近转而向下运动，进而造成熔池内部液态金属的流向也向下运动的结果。