北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
本文基于焊接过程中线性提高激光功率的方法研究了光纤激光‐TIG复合焊接焊缝中小孔型气孔的影响因素。结果表明，在复合焊接过程中将激光功率由0 kW线性增加至3 kW，可以获得激光功率和电弧电流对小孔型气孔的影响规律。当激光功率小于0.8 kW或大于2.2 kW时，焊缝内部均无小孔型气孔产生；当激光功率处于0.8~2.2 kW或保护气流量大于15 L/min时，焊缝内气孔相对较多，气孔率分别可达3.5%和5.5%；当激光功率为2 kW时，150 A的TIG电弧电流使熔宽提高了94%，熔深提高了35%，并控制了飞溅数量，改善了焊缝表面成形质量。进一步分析表明：电弧作用于小孔口的力是增加小孔不稳定性、提高焊缝中小孔型气孔数量的主要原因；激光功率变化导致孔内激光致蒸发量的变化是复合焊接焊缝中气孔数量改变的主要因素。
激光技术 光纤激光 复合焊接 小孔型气孔 工艺参数 中国激光
2023, 50(12): 1202102
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Advanced Photonic Technology, Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2 Key Laboratory of Trans-scale Laser Manufacturing Technology (Beijing University of Technology), Ministry of Education, Beijing 100124, China
The self-mixing interferometry (SMI) technique is an emerging sensing technology in microscale particle classification. However, due to the nature of the SMI effect raised by a microscattering particle, the signal analysis suffers from many problems compared with a macro target, such as lower signal-to-noise ratio (SNR), short transit time, and time-varying modulation strength. Therefore, the particle sizing measurement resolution is much lower than the one in typical displacement measurements. To solve these problems, in this paper, first, a theoretical model of the phase variation of a single-particle SMI signal burst is demonstrated in detail. The relationship between the phase variation and the particle size is investigated, which predicts that phase observation could be another alternative for particle detection. Second, combined with continuous wavelet transform and Hilbert transform, a novel phase-unwrapping algorithm is proposed. This algorithm can implement not only efficient individual burst extraction from the noisy raw signal, but also precise phase calculation for particle sizing. The measurement shows good accuracy over a range from 100 nm to 6 μm with our algorithm, proving that our algorithm enables a simple and reliable quantitative particle characteristics retrieval and analysis methodology for microscale particle detection in biomedical or laser manufacturing fields.
self-mixing interferometry particle detection continuous wavelet transform laser processing Hilbert transform Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 041204
北京工业大学材料与制造学部高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
采用6 kW多模光纤激光器进行了Ta-10W难熔合金的光纤激光焊接工艺研究。利用高速摄像机、光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形、熔池形态、飞溅物形态、显微组织、显微硬度、接头强度及断口形貌进行分析。研究结果表明，在焦点位于板材表面且焦点直径为0.3 mm的聚焦参数下，当焊接速度为2～3 m/min，激光功率为1.5～2.0 kW时，焊接模式由热导焊转变为深熔焊。Ta-10W深熔焊时焊缝成形良好，焊接飞溅大且飞溅物不易附着于板材，焊缝呈钉头形。3 mm厚对接接头的焊缝组织主要为柱状晶，在焊缝靠上的位置，主要为垂直于板厚方向的细长晶粒；在焊缝中部与下部，形成的则是细等轴晶粒。拉伸试验结果显示，接头的室温拉伸强度为506.5 MPa，约为母材的92.1%；1500 ℃高温拉伸强度约为140.9 MPa，接头断裂在母材处。
激光技术 Ta-10W 难熔合金 激光焊接 微观组织 力学性能 中国激光
2022, 49(16): 1602006
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心, 北京 100124
采用光纤激光焦点旋转的焊接方法进行2 mm厚2060铝锂合金薄板填丝(ER4047)焊接试验。利用高速摄像仪观察焊丝熔滴过渡行为及熔池流动行为,采用光学显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形质量、气孔形貌、显微组织、化学成分、断口形貌、硬度及接头强度进行分析。结果表明:旋转的激光焦点周期性地作用在熔池及焊丝末端,致使熔池长度增加,熔池流动更平稳且波动幅度减小;焦点旋转可以有效改善焊缝成形,抑制飞溅和气孔的产生;焊缝等轴细晶区的宽度及该区的晶粒尺寸减小,靠近细晶区的柱状晶尺寸也有所减小。与非激光焦点旋转焊接接头相比,激光焦点旋转焊接接头熔合线附近的显微硬度和强度略有升高,接头断裂在熔合线附近,断口呈混合断裂特征。
激光技术 铝锂合金 填丝焊接 光纤激光 焦点旋转 组织 力学性能 中国激光
2021, 48(22): 2202012
北京工业大学材料与制造学部高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
飞溅是激光深熔焊接中最严重的缺陷之一。本文通过熔池原位光学观察和板材质量亏损计算,研究了高功率光纤激光深熔焊接过程中的飞溅行为以及离焦量对飞溅的影响。结果表明:飞溅的形成可分为三步,熔池凸起→凸起部位拉长形成液体柱→液体柱克服表面张力断裂形成飞溅;飞溅的直径主要分布在>50~100 μm之间;随着离焦量增加,飞溅数量、板材质量亏损和熔宽均逐渐增加,熔深则逐渐减小。进一步分析结果表明:飞溅的喷发与小孔前壁倾斜角、小孔前壁激光致蒸发蒸气的冲击力、熔池表面张力有关;增加离焦量会减小前壁的倾斜角和熔池表面张力,同时增加前壁的激光致蒸发蒸气对小孔后壁上沿的冲击效果,使飞溅更易于产生。
激光技术 飞溅 熔池 蒸气 离焦量 小孔前壁 中国激光
2021, 48(22): 2202008
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
采用高功率光纤激光对铜铪合金和低碳钢进行焊接,基于熔池快速凝固保留小孔法对比研究了小孔的形貌特征。结果表明:两种材料中均可保留小孔,孔口直径明显比光斑直径大;在铜铪合金中,孔口形貌呈现为大小圆环相交的“葫芦”状,位于焊接前方的小圆环直径与光斑直径相当,大圆环的直径在毫米量级;在低碳钢中可保留小孔的激光出光时间极短,其熔池凝固时间较长,且仅保留了小孔的大圆环区域。进一步的分析表明,焊接过程中的孔口形貌可分为激光直接作用区(直径与光斑直径相当)和蒸气压力维持区(直径在毫米量级);在数值模拟中构建激光焊接热源模型时应参考小孔的形貌特征。
激光技术 光纤激光 深熔焊接 快速凝固 铜铪合金 小孔 中国激光
2020, 47(11): 1102005
北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
采用高速摄像仪观察了光纤激光深熔焊接羽辉的动态行为,分析了羽辉的形成原因。结果表明:羽辉可分为底部周期性摆动部分和类似于激光束聚焦形态的狭长形部分;当小孔前壁上激光致蒸发蒸气靠近小孔口时,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最大,反之,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最小;狭长形羽辉的强度随着离焦量的增加(或深熔小孔口直径的增大)而增大。进一步分析表明:底部周期性摆动羽辉的形成与小孔前壁表面激光致蒸发蒸气的喷发有关;底部摆动羽辉的喷发过程中存在大量微粒;狭长形羽辉的形成与底部摆动羽辉沿光束方向喷发时携带的微粒进入光束内、受激光束加热发光有关。
激光光学 光纤激光焊接 羽辉 多重成像法 周期性摆动 小孔
1 北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
2 中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东 青岛 266111
为研究小孔的形成过程,在光纤激光平板扫描焊接低碳钢中,采用调制激光出光时间的方式进行实验。结果表明:小孔的形成过程极为迅速,完整的形成时间在ms量级。低速焊接时,小孔的形成过程包括急速增加、缓慢增加和基本稳定不变三个阶段。高速焊接时,小孔的形成过程仅有急速增加过程。进一步实验结果表明:小孔的形成时间不超过激光焊接特征时间,且激光焊接特征时间随焊接速度的增加而减小,这是高速焊接时小孔仅有快速形成过程的原因。
光纤激光 深熔焊接 调制出光 小孔 熔深 激光与光电子学进展
2020, 57(7): 071402
1 北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
2 中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东 青岛 266111
基于可视化观察,研究了光纤激光-TIG电弧复合焊接等离子体的多重形貌特征。结果表明:基于等离子体光强的非均匀分布特性,利用多重成像法可同时观测出复合焊接等离子体的三重像和四重像,并可区分出金属等离子体和电弧等离子体,而且采用氦气保护比采用氩气保护更易于区分;在相同的电弧电流和成像条件下,复合焊接等离子体的面积明显大于单电弧焊接等离子体的面积;TIG电弧-激光复合焊接等离子体的面积明显大于激光-TIG电弧复合焊接等离子体的面积;复合焊接等离子体中金属等离子体与保护气并未充分混合,金属等离子体对复合焊接等离子体的形貌、稳定性等方面具有重要影响。
激光技术 光纤激光 复合焊接 等离子体 多重成像 光强 中国激光
2019, 46(12): 1202007
北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
利用高速摄像仪自带的多重成像镜头观测了CO2激光-钨极稀有气体(TIG)电弧复合焊接等离子体的多重成像特征。结果表明:采用多重成像技术可同时获得同一个等离子体的三个面积逐渐减小、光强逐渐增大的区域形态;氩气保护复合焊接等离子体的颜色由蓝白色逐渐变为红色,不能区分金属和氩弧等离子体;在氦气保护下,自第二次成像开始,氦弧等离子体几乎不可见,仅余仍为亮白色的金属等离子体;等离子体中的氦在可见光区辐射的线状谱较少(光强相对弱),是氦气保护下能明显区分出金属等离子体的主要原因;复合焊接中金属等离子体与保护气等离子体没有充分混合,电弧等离子体对金属等离子体的形态具有显著影响。
激光技术 复合焊接 等离子体 多重成像 光强 动态行为
