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        大功率激光器焊接最新焊接專業技術



        在大功率激光焊接中,在激光強度最高的區域的少數金屬會蒸騰。深熔焊接在工件上會創立一個被稱爲"小孔"的筆直空腔。在此進程中,激光束不只消融金屬,也會發作金屬蒸汽。這種散失的蒸汽對熔融的金屬施加壓力並有些替代它。與此同時,資料繼續消融。成果即是構成一個深且窄而且充溢蒸汽的洞,或許稱之爲"小孔"(keyhole),它被熔融的金屬所盤繞。跟着激光束的移動,小孔會隨之在工件上移動。熔融的金屬圍繞着小孔活動並在沿途凝結。這就構成了具有均勻內部構造的深且窄的焊縫。

        盡人皆知,用深熔焊接來焊接鋁的疑問首要是由低粘度致使的熔體高動態行動。再加上高的熱導率,由此發作的熔池很寬。焊接的外表變得不安穩,成果是金屬液滴發作飛濺與噴發,並因而發作未焊滿、咬邊、弧坑、孔洞或空泛等焊接缺點,一切這些缺點會對焊接的力學功用發作晦氣影響。假如資料有缺失,通常需求用電弧焊進行後處理,來填滿短少的資料或使焊縫的視覺作用更佳,這也是外表質量的一個方針。此外,在某些領域,平滑的焊縫外表變得十分重要,例如食品工業,首要是因爲粗糙的外表也許會帶着細菌。

        不受操控的焊接進程會帶來一個副作用,即加快焊縫金屬的滴落。這些液滴使全部進程變"髒",並致使焊縫冷卻後資料的缺失。第二, 馬蘭戈尼(Marangoni)效應致使非均勻焊縫的發作,這也是工件中應力和/或變形發作的一個要素。有些焊接熔池在外表張力和電磁力作用下移動,然後致使資料的非均勻散佈以及焊接熔池不一樣部位的凝結速度不一樣。一旦焊縫固化,因爲散佈和冷卻時刻不均勻,它也許會由不一樣資料構成。

        減緩熔體活動

        是不是有也許抵消這種影響?在德國研討基金會的資助下,BAM德國聯邦資料研討和測量研討所探求了各種方法來操控和削弱這些影響。在這一特定的比如中,咱們運用一種穩定的磁場對激光焊接進程施加影響。在COMSOL Multiphysics軟件的協助下,咱們斷定了能改善焊縫均勻性的磁場散佈情況。

        咱們特別想要削弱馬蘭戈尼效應的影響。在外表,激光束施加在金屬上的點具有十分高的溫度,跟着與焊縫之間的間隔添加,溫度敏捷降低。由此發作的較高的溫度梯度使得金屬在溫度依賴性外表張力的作用下從焊接熔池的中心向外部邊界活動(馬蘭戈尼效應)。咱們的方針是完成完美的焊接,這意味着咱們需求按捺這種活動,所以能量要進入熔池的深處,而不是在外表擴展。

        完美的焊接將具有平行的側牆,一切深度的固化是同時發作的。而實際上在無外力作用的情況下焊縫更多地是構成一個酒杯形狀(圖1a),而且凝結界面的曲率很大。這會致使工件上有很大的應力,而且冷卻後發作較大的變形。但是,筆直於焊接方歷來施加靜態磁場,會讓焊縫更挨近希望中的均勻形狀,像一個"V"(圖1b-d)。


        這種能改動焊縫形狀的才能來自Hartmann效應。詳細而言,對於導電液體例如熔融金屬來說,磁場會誘導電流的發作並創造出洛侖茲力場,與初始熔體活動方向相反。

        爲了演示這種作用,咱們模仿了3D傳熱、流體動力學和電磁學,併爲此運用CFD模塊和AC/DC模塊。首先,咱們模仿了電磁場來覈算洛侖茲力;這些成果作爲體積力來覈算熔池對流的速度和壓力。這使咱們可以處理傳熱疑問,速度場來自之前的對流模仿。

        當然,溫度影響着資料的功用,所以咱們回過頭來從頭覈算洛侖茲力,它也取決於活動的速度。這個循環繼續進行直至模仿到達穩態處理方案所需求的精度;例如,滿意所觸及的一切物理疑問。爲了驗證該模型,咱們分別在施加磁場和不施加磁場的情況下進行焊接,再切開焊縫並得到其微觀描摹。然後疊加模仿的成果,成果顯示出傑出的一致性(圖2)。



        這一焊接進程極其雜亂,謝謝COMSOL Multiphysics軟件協助咱們設法取得了精確的成果。咱們認爲COMSOL的長處包含易於操作、出色的幾許構建和協調才能,而且能運用預界說的多重物理量(Multiphysics)耦合功用,不過有的選項需求手動調整和修改。例如,具有溫度依賴性的資料特點,首要來自試驗數據點或解析式,在固相速度模型運用源項,包含重力效應,還有熔化潛熱(latent heat of fusion)。咱們可以很方便地在覈算中思考一切這些要素。

        很快樂這一軟件可以對比容易地取得物理來源的數據。謝謝COMSOL Multiphysics的模仿,咱們現已斷定了潛在影響,而且知道怎麼抵擋它們。下一步是學會怎麼將這方面的常識大規模地付諸實踐。咱們現已斷定了哪些磁場能改善焊接進程的質量,而且將進一步通過試驗來從頭界說全部焊接進程。

         
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