铝合金激光压力焊接坡口内激光的波导和能量耦合行为研究

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为了实现运载工具的轻量化,铝合金及激光焊接技术吸引了该领域的广泛关注。但激光焊接铝合金仍然存在焊接气孔、热裂纹、接头软化以及应力变形等问题。激光压力焊是一种新型高效的焊接方法,其原理是利用金属材料对于垂直偏振光的高反射率,将照射在两块板材组成Ⅴ型坡口内的激光经多次反射导向焊接区,提高激光的功率密度,使工件表面极薄的一层金属快速加热并熔化,然后在压力的作用下实现材料连接。该焊接技术具有焊接效率高、热输入量小、焊接强度高等综合优势,在铝合金焊接中展现出良好的发展前景,为铝合金的高质高效焊接制造提供了一种可能。  目前,业内对激光压焊的研究非常少。为了揭示激光压焊的物理机制,为优化激光压焊工艺提供指导,本文研究了激光束在Ⅴ型坡口内的传输与吸收特性及工艺参数对其影响规律。以几何光学和菲涅尔公式为基础,利用光线追迹法,建立了Ⅴ型坡口内激光传输与能量耦合理论计算模型,获得了坡口内激光能量的衰减与功率密度分布的演变规律。结果表明:随着激光向坡口内传播,最大功率密度先逐渐增大后急剧减小。由于激光入射材料时入射角的影响,较小的坡口角度,适当的离焦量以及较大的透镜焦距使得更多的激光能量向坡口内传输;受金属材料对激光吸收率的影响,吸收率较高的材料、平行偏振态激光、较短波长的激光以及材料表面的粗糙度,均会使激光在入射坡口后在波导过程中因材料的吸收而损耗更多能量,不利于激光能量的汇聚效应。  随后本文分别利用波长1.07μm的光纤激光和10.6μm的CO2激光扫描焊接预制的A1060铝合金Ⅴ型坡口,验证了非偏振激光波长、功率、离焦量、透镜焦距、坡口角度、材料、焊接速度、入射倾角及保护气等因素对坡口内材料熔化行为的影响规律。实验结果与前文的计算结果基本吻合,对于铝合金等高反射率的材料,激光压焊Ⅴ型坡口有助于提高激光入射坡口后的功率密度,对材料熔化具有明显的增强作用。材料的熔化行为随激光功率、焊接速度以及保护气的变化规律与传统激光焊接类似,但可以达到更高的焊接速度。激光压焊中适当的正离焦,适当的焦长并且合理地减小坡口角度均可以提高材料的熔化效果。由于铝合金对非偏振激光在布儒斯特角附近吸收率不高,所以即使入射角为布儒斯特角也可实现汇聚增强效应。但由于激光每次在坡口内反射时材料均会吸收激光能量,因此对于非偏振激光,坡口内反射次数不宜过多。最后本文使用激光压焊装置,采用非偏振的光纤激光和CO2激光实现了A1060铝合金的激光压焊。
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