基于Level-Set方法的小孔和熔池動態(tài)形成過程模擬研究.pdf

1、激光焊接在航空航天、汽車、鐵路、大型艦船等國民經(jīng)濟領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但激光深熔焊接過程物理現(xiàn)象非常復(fù)雜，目前學(xué)術(shù)界對焊接中小孔及熔池動態(tài)形成機理的理解尚不清楚。圍繞上述關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，本文在總結(jié)激光深熔焊接現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)之上，建立了基于Level-Set方法的小孔和熔池動態(tài)形成過程三維仿真模型，該模型可實現(xiàn)對焊接過程中運動氣液界面的追蹤，從而得到焊接小孔和熔池的瞬態(tài)形貌。本文主要研究了激光深熔焊接過程中小孔和熔池動態(tài)的形成過程，模型中考

2、慮了自由界面演化、表面蒸發(fā)、Knudsen層、均值沸騰以及光束在孔內(nèi)多次反射傳輸?shù)纫蛩?。同時，本文還理論分析和模擬研究了焊接過程中小孔和熔池動態(tài)形成階段的等離子體特征參量，如溫度分布、功率密度分布，壓強分布及速度分布。
　　 首先，本文構(gòu)建了基于Level-Set方法界面追蹤模型，對Level-Set方法在激光焊接中的應(yīng)用做了模型化公式推導(dǎo)，包括Level-Set方程的離散化、運動界面的法線與曲率的演算、窄帶化的自適應(yīng)網(wǎng)格理論和

3、重新初始化。其次，構(gòu)建了焊接小孔形成數(shù)值模型，采用Level-Set方法追蹤氣液界面的運動，采用混合連續(xù)模型追蹤固液界面的運動。通過Navier-Stokes方程推導(dǎo)出氣液界面處動量的邊界條件，考慮了導(dǎo)致小孔和熔池形成的兩個主要的驅(qū)動力-熱毛細力和金屬蒸汽的反沖壓力。通過將同工藝參數(shù)下計算得到的小孔和熔池仿真結(jié)果與同軸在線監(jiān)測裝置拍攝得到的小孔及熔池對比，小孔直徑與熔池寬度誤差分別為8％和6.6％，結(jié)果證明該模型較準確的反映了焊接小孔及

4、熔池動態(tài)形成。再次，通過界面形貌、金屬蒸汽流場、孔壁功率密度和溫度分布等方面，研究了激光深熔焊接小孔和熔池的瞬態(tài)形貌特征及動態(tài)形成過程。結(jié)果表明:焊接過程中焊接熔池高于焊接表面，熔池在小孔前沿薄后沿厚，溫度梯度在小孔前沿大后沿小，小孔及熔池前沿和后沿存在明顯的非對稱性;通過激光焊接過程中金屬蒸汽流速度場發(fā)現(xiàn)孔壁上蒸發(fā)的金屬蒸汽由孔壁流向小孔中軸線，且向孔外噴射;金屬蒸汽在小孔中軸線處的流速高于孔壁處的流速，小孔頂部處的流速高于孔底處的流

5、速，最大流速80 m/s;孔壁上的激光功率密度分布不均勻，孔底激光功率密度最大;孔壁最高溫度為3700K，高于汽化溫度567 K，位于孔底處;激光照射到材料的瞬間，孔深變化速度最快，為0.21 mm/ms;小孔形成的初級階段孔深的變化較快，但隨著小孔深度的增加，孔深變化速度逐漸下降。最后，對焊接小孔和熔池動態(tài)形成過程中的等離子體特征進行了模擬研究，模型基于質(zhì)量和能量守恒，考慮了焊接過程中的均值沸騰和表面蒸發(fā)現(xiàn)象，同時考慮了等離子體對激光

6、能量的吸收與輻射，模型模擬了金屬蒸汽和等離子體的動態(tài)形成過程及焊接工件上方等離子體形態(tài)的變化，得到了2.2ms時刻等離子體中心的最高溫度達到4300K;分析了金屬蒸汽和等離子體形成后對孔壁的壓強場的分布，孔內(nèi)的最大壓強為4×105Pa，是標準大氣壓的4倍，并指出金屬蒸汽和等離子體對液態(tài)金屬表面產(chǎn)生壓強是小孔形成和熔池流動的直接因素;得到了金屬蒸汽與等離子體沿小孔徑向的速度分布，該時刻蒸汽與等離子在小孔徑向的最大流速為60m/s，最大流速