[00123421]高反射率材料大功率光纤激光/MIG电弧复合焊气/液界面热-力耦合行为及调控机理研究

该研究属于激光加工技术领域。 随着全球对环境污染和能源危机问题的日益重视,轻量化和新能源已经被上升到国家战略的高度。轻量化新能源领域关键材料（如轻量化材料钛合金、镁合金、铝合金和导电材料紫铜等）的优质高效焊接成为了目前的研究热点。大功率光纤激光器的迅速发展为这些关键材料焊接结构的制造提供了一种可在开放环境中进行高效精密焊接的手段。但由于轻量化对材料超薄的要求和高导电率材料对激光的反射率高等原因,导致其激光焊接仍面临许多挑战。该研究在国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等支持下,针对轻量化材料钛合金、镁合金、铝合金和导电材料紫铜等,研究了其激光焊接过程小孔/熔池的行为特征,揭示了焊接缺陷产生机制,并探索出其激光焊接接头质量改善措施和机理。主要如下： 1. 发现了轻量化材料薄壁钛合金脉冲激光焊接成形的重叠效应。明晰了重叠率与气孔缺陷率的关系、重叠率与焊缝形貌的关系、重叠率与接头力学性能的关系。揭示了重叠率影响气孔缺陷率的机理、重叠率影响焊缝形貌的机理、重叠率影响接头力学性能的机理。为钛合金薄壁轻量化结构脉冲激光焊接质量优化提供了支撑。 2. 建立了激光全穿透焊接过程的流体力学数值模型,针对高反材料激光焊小孔失稳并易产生飞溅、穿孔等缺陷这一共性问题,研究发现高反材料激光深熔焊时孔深方向上的激光能量分配失衡、激光能量在小孔底部的过度集中是小孔孔底局部膨胀长大的根本原因;采用功率调制激光焊方法,实现了高反材料激光焊热效率和稳定性的同步优化,揭示了功率调制对激光能量耦合行为的影响机制,为高反射率材料激光焊提供技术指导和理论支撑。 3. 建立了一个较完善的包括激光束、电弧、小孔和熔池在内并且考虑激光深熔焊接过程中主要物理现象（如金属熔化、强烈蒸发、等离子体、菲涅尔吸收、多次反射等）的激光/电弧复合焊接统一模型;揭示了电弧辅助激光焊接过程热效率协同效应的主控因素和影响规律;发现了熔池/小孔轮廓的耦合拘束效应;在不损失孔深和小孔深宽比的条件下通过抑制小孔径向尺寸的波动幅度改善了焊接熔池稳定性和激光能量耦合效率;支撑了厚壁高反射高导热材料高效焊接技术的发展,完成了首例8mm厚度紫铜的不预热单道全穿透激光电弧复合焊接。 15 篇代表作SCI 他引300 余次,授权国家发明专利4 项。