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大功率激光器焊接最新焊接专业技术



在大功率激光焊接中,在激光强度最高的区域的少数金属会蒸腾。深熔焊接在工件上会创立一个被称为"小孔"的笔直空腔。在此进程中,激光束不只消融金属,也会发作金属蒸汽。这种散失的蒸汽对熔融的金属施加压力并有些替代它。与此同时,资料继续消融。成果即是构成一个深且窄而且充溢蒸汽的洞,或许称之为"小孔"(keyhole),它被熔融的金属所盘绕。跟着激光束的移动,小孔会随之在工件上移动。熔融的金属围绕着小孔活动并在沿途凝结。这就构成了具有均匀内部构造的深且窄的焊缝。

尽人皆知,用深熔焊接来焊接铝的疑问首要是由低粘度致使的熔体高动态行动。再加上高的热导率,由此发作的熔池很宽。焊接的外表变得不安稳,成果是金属液滴发作飞溅与喷发,并因而发作未焊满、咬边、弧坑、孔洞或空泛等焊接缺点,一切这些缺点会对焊接的力学功用发作晦气影响。假如资料有缺失,通常需求用电弧焊进行后处理,来填满短少的资料或使焊缝的视觉作用更佳,这也是外表质量的一个方针。此外,在某些领域,平滑的焊缝外表变得十分重要,例如食品工业,首要是因为粗糙的外表也许会带着细菌。

不受操控的焊接进程会带来一个副作用,即加快焊缝金属的滴落。这些液滴使全部进程变"脏",并致使焊缝冷却后资料的缺失。第二, 马兰戈尼(Marangoni)效应致使非均匀焊缝的发作,这也是工件中应力和/或变形发作的一个要素。有些焊接熔池在外表张力和电磁力作用下移动,然后致使资料的非均匀散布以及焊接熔池不一样部位的凝结速度不一样。一旦焊缝固化,因为散布和冷却时刻不均匀,它也许会由不一样资料构成。

减缓熔体活动

是不是有也许抵消这种影响?在德国研讨基金会的资助下,BAM德国联邦资料研讨和测量研讨所探求了各种方法来操控和削弱这些影响。在这一特定的比如中,咱们运用一种稳定的磁场对激光焊接进程施加影响。在COMSOL Multiphysics软件的协助下,咱们断定了能改善焊缝均匀性的磁场散布情况。

咱们特别想要削弱马兰戈尼效应的影响。在外表,激光束施加在金属上的点具有十分高的温度,跟着与焊缝之间的间隔添加,温度敏捷降低。由此发作的较高的温度梯度使得金属在温度依赖性外表张力的作用下从焊接熔池的中心向外部边界活动(马兰戈尼效应)。咱们的方针是完成完美的焊接,这意味着咱们需求按捺这种活动,所以能量要进入熔池的深处,而不是在外表扩展。

完美的焊接将具有平行的侧墙,一切深度的固化是同时发作的。而实际上在无外力作用的情况下焊缝更多地是构成一个酒杯形状(图1a),而且凝结界面的曲率很大。这会致使工件上有很大的应力,而且冷却后发作较大的变形。但是,笔直于焊接方历来施加静态磁场,会让焊缝更挨近希望中的均匀形状,像一个"V"(图1b-d)。


这种能改动焊缝形状的才能来自Hartmann效应。详细而言,对于导电液体例如熔融金属来说,磁场会诱导电流的发作并创造出洛仑兹力场,与初始熔体活动方向相反。

为了演示这种作用,咱们模仿了3D传热、流体动力学和电磁学,并为此运用CFD模块和AC/DC模块。首先,咱们模仿了电磁场来核算洛仑兹力;这些成果作为体积力来核算熔池对流的速度和压力。这使咱们可以处理传热疑问,速度场来自之前的对流模仿。

当然,温度影响着资料的功用,所以咱们回过头来从头核算洛仑兹力,它也取决于活动的速度。这个循环继续进行直至模仿到达稳态处理方案所需求的精度;例如,满意所触及的一切物理疑问。为了验证该模型,咱们分别在施加磁场和不施加磁场的情况下进行焊接,再切开焊缝并得到其微观描摹。然后叠加模仿的成果,成果显示出杰出的一致性(图2)。



这一焊接进程极其杂乱,谢谢COMSOL Multiphysics软件协助咱们设法取得了精确的成果。咱们认为COMSOL的长处包含易于操作、出色的几许构建和协调才能,而且能运用预界说的多重物理量(Multiphysics)耦合功用,不过有的选项需求手动调整和修改。例如,具有温度依赖性的资料特点,首要来自试验数据点或解析式,在固相速度模型运用源项,包含重力效应,还有熔化潜热(latent heat of fusion)。咱们可以很方便地在核算中思考一切这些要素。

很快乐这一软件可以对比容易地取得物理来源的数据。谢谢COMSOL Multiphysics的模仿,咱们现已断定了潜在影响,而且知道怎么抵挡它们。下一步是学会怎么将这方面的常识大规模地付诸实践。咱们现已断定了哪些磁场能改善焊接进程的质量,而且将进一步通过试验来从头界说全部焊接进程。

 
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