激光深熔焊接小孔和熔池動態(tài)行為的模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、激光深熔焊接過程物理現(xiàn)象復(fù)雜，內(nèi)部機(jī)理涉及多學(xué)科和領(lǐng)域，學(xué)術(shù)界對激光深熔焊接中小孔和熔池行為的內(nèi)部機(jī)理及缺陷的形成尚不十分清楚。基于此，本文了建立了基于Level Set方法的激光深熔焊接數(shù)值模型，采用試驗(yàn)方法對模型的準(zhǔn)確進(jìn)行了全面的驗(yàn)證，然后結(jié)合試驗(yàn)觀測和數(shù)值模擬各自的優(yōu)勢，全面而深入地對小孔和熔池動態(tài)形貌、溫度場、速度場進(jìn)行了研究。
　　首先，論文在系統(tǒng)地分析了激光深熔焊接過程中材料與激光作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，考慮了小孔多重反射吸

2、收、熔池動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)等物理因素，構(gòu)建了激光深熔焊接數(shù)值模型。模型中采用Level Set方法追蹤氣液界面，混合模型處理固液界面，并在追蹤氣液界面時(shí)采用了窄帶自適應(yīng)網(wǎng)格。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，文中設(shè)計(jì)了四個(gè)試驗(yàn)，分別獲取了熔池和小孔的上表面形貌、側(cè)面形貌、上表面溫度場及內(nèi)部溫度，對相應(yīng)的模擬結(jié)果進(jìn)行全面而系統(tǒng)的驗(yàn)證，證實(shí)了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　隨后，研究了焊接工藝參數(shù)對小孔和熔池形貌及內(nèi)部溫度場的影響。研究表明:隨著激光功

3、率增加，熔池長度、寬度和溫度增加，小孔深度和溫度也增加;隨著焊接速度的增加，熔池長度增加，寬度卻減小，小孔和熔池溫度也都相應(yīng)地降低。模擬研究了熔池形成過程中三個(gè)階段的溫度場分布，初期熔池高溫區(qū)集中在小孔底部，溫度場分布有一定的對稱性;中期熔池高溫區(qū)分布較分散，小孔區(qū)域向焊接方向傾斜，溫度分布變化很大;末期熔池高溫區(qū)細(xì)長，深度維持在一定范圍內(nèi)波動。此外運(yùn)用模擬得到的內(nèi)部溫度場解釋了氣泡的形成機(jī)理和小孔開口處前壁和孔底高溫區(qū)產(chǎn)生的原因。

4、r>　　接著，在試驗(yàn)中觀察到熔池后沿靠近焊縫區(qū)域漂浮一層凝固薄層，靠近熔池尾部厚度大且分布密集，靠近熔池前部厚度薄且分布零散，通過模擬得到了薄層分布的區(qū)域溫度區(qū)間為1600-1800K，低于了材料的凝固溫度1809K，并且熔池尾部與空氣接觸形成的低溫區(qū)面積大于熔池前部分低溫區(qū)面積，這很好地解釋的凝固薄層的形成和分布現(xiàn)象。
　　最后，通過添加粉末顆粒獲得了熔池表面速度和流動情況，越靠近小孔，熔池速度越大，且波動越劇烈。同時(shí)試驗(yàn)測得小

5、孔前沿飛濺和后沿飛濺的速度分別為10.07m/s和2.99m/s。小孔前沿飛濺主要是由小孔前壁凸起氣化不均勻產(chǎn)生的反沖壓力、金屬蒸氣與小孔前沿熔池產(chǎn)生的摩擦剪切力、自身重力以及表面張力不平衡導(dǎo)致的。小孔后沿飛濺形成的主要原因是蒸氣波的向上運(yùn)動，而孔內(nèi)金屬蒸氣/等離子體的蒸氣壓力和噴發(fā)的剪切摩擦力是蒸氣波運(yùn)動的主要驅(qū)動力。對于瞬間爆發(fā)式的飛濺，它產(chǎn)生于小孔從閉合到張開的瞬間，孔內(nèi)蒸氣壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔外大氣壓力，劇烈噴發(fā)的金屬蒸氣/等離子體導(dǎo)