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细管径侧吹气对激光焊接等离子体和熔池小孔影响的研究

作　者: 杨东杰
导　师: 黄坚
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镀锌钢板激光搭焊光致等离子体侧吹气高速摄影熔池匙孔
分类号: TG456.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

激光焊接是现代工业制造中应用广泛的一种新型焊接方法。光致等离子体和匙孔是激光焊接中的两个重要特征。激光焊接有其本身的诸多优点，但也存在缺陷，本文主要就激光焊接中两个常见的问题进行了研究。其一是，光致等离子体对入射激光有强烈的折射、吸收等作用，降低了激光能量利用率，并导致焊接过程不稳定，影响焊接质量。另一个问题是对于车身制造中应用广泛的镀锌钢板，激光搭焊时夹层中的镀锌层汽化后锌蒸汽难以逸出，导致焊接时飞溅较大，影响焊接质量。针对这两个问题，本文采用内直径为2mm的细管径侧吹气体喷嘴，研究用侧吹气流的方法解决上述两个问题。等离子体的面积和高度随着激光功率的增大而增大，随焊接速度的减小而增大，焊缝熔深呈现相反的规律；当线能量保持一致时，等离子体的面积和高度在不同激光功率和焊接速度下变化不明显。采用侧吹气能有效抑制光致等离子体。本文对细管径侧吹喷嘴下侧吹气体流量、侧吹气体成分和喷嘴位置等工艺因素抑制等离子体的效果进行了研究。随着侧吹气体流量增大，等离子体的平均面积和高度减小，焊缝熔深增加。在He中适当加入Ar可获得良好的焊接效果，采用成分为75%He+25%Ar的侧吹气体时，等离子体抑制效果较好。在文中实验条件下，气流在工件上的作用点在x、y方向与激光焊接点的距离在0~0.5mm，喷嘴距离工件表面距离在5~8mm变动时，有利于获得大熔深。同时，细管径侧吹气流对于改善镀锌钢板激光搭焊同样具有不错的效果。本文根据DP590GA热镀锌双相钢激光焊接的光谱特点，设计了一套熔池和小孔高速摄影的光学系统，根据熔池小孔形态特征，详细研究了侧吹气体流量和焊接速度等因素对镀锌钢板激光搭焊的影响。细管径侧吹气流改善镀锌钢板激光搭焊的作用，是通过小孔“扩张”机制实现的。采用合适的侧吹气流量，焊接飞溅很少，焊缝成形较好。当焊接速度较小时，有更多的锌蒸汽逸出，飞溅较大，熔池不稳定；而焊接速度较大时，由于锌蒸汽量相对少，飞溅较少。生产中应选用合适的焊接速度。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 激光焊接等离子体动态行为及其控制  11-16
    1.2.1 光致等离子体的动态行为  11-12
    1.2.2 等离子体在能量传输中的作用  12-13
    1.2.3 光致等离子体控制的研究现状  13-16
  1.3 激光焊接过程实时监测技术  16-17
    1.3.1 光信号  16
    1.3.2 电信号  16-17
    1.3.3 声信号  17
    1.3.4 热信号  17
  1.4 汽车用镀锌钢板激光搭焊的研究进展  17-21
    1.4.1 汽车用镀锌钢板的分类  18-20
    1.4.2 汽车用镀锌钢板激光焊接研究进展  20-21
  1.5 本文主要研究内容  21-23
第二章实验材料和实验设备  23-33
  2.1 实验材料  23-24
    2.1.1 焊接试板材料  23-24
    2.1.2 侧吹气体  24
  2.2 CO_2激光焊接实验平台  24-28
    2.2.1 CO_2激光焊接实验设备  24-27
    2.2.2 细管径侧吹气体喷嘴  27-28
  2.3 高速摄影系统  28-30
  2.4 其他测试手段  30-33
    2.4.1 微型光谱仪  30-31
    2.4.2 U 形管测压计  31-32
    2.4.3 焊缝宏观金相显微镜  32-33
第三章等离子体和熔池高速摄影系统构建  33-42
  3.1 等离子体高速摄影系统  33-35
  3.2 熔池高速摄影系统  35-39
    3.2.1 基于等离子体光谱特征设计光学平台  36-37
    3.2.2 熔池高速摄影参数优化  37-39
  3.3 数字图像处理系统  39-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章细管径侧吹气体对激光焊接等离子体抑制的影响  42-62
  4.1 细管径侧吹气下焊接主要工艺参数对等离子体的影响  44-52
    4.1.1 激光焊接功率对等离子体的影响  44-47
    4.1.2 焊接速度对等离子体的影响  47-49
    4.1.3 线能量对等离子体的影响  49-52
  4.2 细管径侧吹气喷嘴位置对等离子体抑制的影响  52-55
    4.2.1 在 X 方向上改变喷嘴位置对等离子体抑制效果的影响  53
    4.2.2 在 Y 方向上改变喷嘴位置对等离子体抑制效果的影响  53-54
    4.2.3 在 Z 方向上改变喷嘴位置对等离子体抑制效果的影响  54-55
  4.3 侧吹气流量和成分对等离子体抑制的影响  55-60
    4.3.1 侧吹气体流量等离子体抑制效果的影响  55-58
    4.3.2 侧吹气体成分对等离子体抑制效果的影响  58-60
  4.4 本章小结  60-62
第五章细管径侧吹气体对镀锌钢板 CO_2激光搭接焊过程的影响  62-78
  5.1 镀锌钢板激光搭接焊的特点  62-64
  5.2 熔池和小孔分析方法  64-66
  5.3 侧吹气流量对镀锌钢板激光焊接等离子体形态的影响  66-68
  5.4 侧吹气体流量变化时熔池和小孔的形态  68-72
  5.5 较高焊接速度下镀锌钢板 CO_2激光焊接的熔池特点  72-75
  5.6 小孔“扩张”的机制分析  75-76
  5.7 本章小结  76-78
第六章结论  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
攻读硕士学位期间已发表的学术论文  85-87

细管径侧吹气对激光焊接等离子体和熔池小孔影响的研究

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