光纤激光液态填充焊的熔丝机制与熔池流动行为研究

针对激光填丝焊过程对中精度要求高、能量波动、匙孔不稳定等问题，本项目提出了激光液态填充焊新方法。采用TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧预熔焊丝，以液态形式进行振动填充，避免了激光因熔丝而产生能量损耗与波动，及填充焊丝对匙孔的直接冲击，有效提高焊接过程稳定性和焊接效率。项目将研究焊丝预熔与振动填充过程的能量作用机制及液滴分离驱动模式，实现高速度激光焊条件下的填材液相稳定性控制。通过对液态填充过程熔池流动行为与匙孔三维动态行为的研究，阐明液态填充激光焊熔池的传热、传质机制；试验研究铝合金液态填充模式下的光纤激光焊接特性与填充元素的扩散行为，验证填材液相特征控制机理，获得激光液态填充焊过程控制与适用性的基础数据。本研究对需要自动填材的其它激光加工、自动化焊接过程控制都具有重要的科学意义和应用前景。

项目针对激光填丝焊因焊丝对激光能量反射、匙孔冲击带来的焊接过程不稳定问题，提出了激光液态填充新方法，从熔池流动、匙孔动态行为及焊接性能等方面阐明并验证了液态填充方法对激光焊接过程稳定性的改善作用。1）以小电流电弧为热源建立了焊丝预熔系统，提出了振动辅助熔滴过渡、液桥过渡等不同的液态填材过渡模式，阐明了不同送丝速度下焊丝的稳定熔化机制与能量控制方法。2）通过对液态填充焊过程中的熔滴受力与过渡形态进行的计算与分析，获得了电弧力作用方向、预熔电流、辅助振动频率与作用力方向等不同驱动力对熔滴过渡特性的影响规律。3）证明液桥过渡为激光液态填充焊的最优过渡模式，阐明了焊丝全熔态、半熔态液桥过渡的物理特性的及其熔化状态的控制方法。提出了利用激光等离子体稳定电弧根部的新思路，实现了高速焊下微弧形态与熔丝能量的稳定控制；有效利用了间隙的毛细作用实现了全熔态液桥过渡填材的液相稳定运动控制。4）基于熔池表面、内部物理特征的图像监测技术与有限元数值模拟技术，获得了不同激光焊接条件下的熔池流动特性与匙孔动态行为的完整三维信息；揭示了填材过渡模式对熔池流动、匙孔波动的影响规律及传热传质机制，解释了高、低速焊接条件下熔池内部出现完全不同流动行为的主要原因所在。5）以铝合金为试验材料，验证了激光液态填充焊在改善焊接过程稳定性、有效降低焊缝气孔率、提高焊速速率上的明显优势。通过本项目的研究，拓宽了激光焊接过程中熔池、匙孔物理特性的理解与描述，研究结果对其它需添加合金元素的高能束加工过程（如电子束焊接、激光熔覆、激光增材制造等）的熔池行为控制都有重要借鉴意义。.以上研究工作共计发表论文8篇，其中SCI论文1篇, EI 7篇；申请发明专利2项，获得授权发明2项；培养硕士研究生4名，博士生2名；在国际会议上宣读论文3次。