有多种测量技术可用于这些熔池运动的分析。最新开发的一种方式是:通过创建焊接池中流体现象的中值图像,获取流体运动的足迹。这项技术在熔池中引入了其他微粒,并借助X光观察和追踪其轨迹,以收集流动情况的信息。科学家们发现,当焦点位置移动一个瑞利长度时,熔池上部涡流的旋转方向就会发生逆转(见图2)。与此同时,他们还发现,同样的焦点位置移动会降低热裂纹敏感性。 因此,他们使用热力模拟,分别检测改变后的流动现象与改变后的熔池几何结构和减少裂纹形成这两者之间的关系。结果显示,随着熔池几何结构的变化,最大应变位置和焦点位置都发生了移动,这些发现可用于改变热裂纹的形成条件。因此,要避免热裂纹,唯一要做的就是在流动特性上施加足够大的影响,以改变熔池的几何结构。 研究人员提出了多种方案用于改变能量传递到匙孔的方式。一种方法是在不同的聚焦条件下,使用不同亮度(光束参数乘积2~24 mm*mrad)的激光。在另一种方法中,科学家研究了同等光学和力学边界条件下,激光波长(1.03 μm和10.6 μm)的影响。遗憾的是,这些方法都失败了。在这两种方法中,团队都成功改变了裂纹的形式和特性,但不能完全消除裂纹。他们还发现,一旦提高焊接速度,裂纹敏感性就会大幅提高。 图2 : 流体动态随着焊接时焦点位置的移动而改变。 双重突破 防止裂纹的第一种方法是双光束焊接,将主光束的输出功率以72:28的比例分配给初级和次级光束。只要两道光束是一前一后,也就是次级光束紧跟初级光束,且次级光束对准两道光束共享熔池的特定点,就能完全避免开裂。但这需要根据具体的熔池长度调整间距,而这取决于所选激光的输出功率。 第二种技术是使用时间调制激光束进行焊接。通过慎重选择连续调制振幅,无论何种焊接深度和速度,都可以在广泛的调制频率范围内完全避免开裂。对熔池流动特性及其几何结构的分析显示,时间调制功率可以产生显著的影响。还可以在焊接过程中进行熔池长度波动热力表面测量,并大幅减少此类波动。由此产生的可测量参数,可用于监控和稳定流程。在真实部件上进行的一系列测试都证明这种方法拥有巨大潜力,有助于在未来高强度钢材的焊接中消除裂纹。