激光深熔焊過(guò)程的流體動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、本文的目標(biāo)是研究完全熔透的激光焊接工藝，獲得焊接熔池傳熱和流體流動(dòng)的準(zhǔn)確信息。傳熱和流體流動(dòng)計(jì)算側(cè)重于預(yù)測(cè)焊接熔池中及其附近液體金屬的對(duì)流和溫度場(chǎng)。為了提高焊縫和焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，了解焊接的對(duì)流和溫度場(chǎng)，一直是當(dāng)代焊接研究領(lǐng)域的重要目標(biāo)。為了達(dá)到目標(biāo)，建立了溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)的綜合數(shù)學(xué)模型，并且通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。 建立的三維數(shù)學(xué)模型，能夠模擬激光深熔焊過(guò)程中的傳熱和流體流動(dòng)。研究?jī)?nèi)容包括：(1)激光小孔的

2、形態(tài)及其穩(wěn)定性；(2)激光焊接熔池流動(dòng)速度分布；(3)輔助氣流參數(shù)對(duì)熔池的保護(hù)區(qū)的影響。 首先，建立激光深熔焊的熱源模型。它是由旋轉(zhuǎn)高斯體熱源和雙橢球型體熱源組成的體熱源組成的。前者與激光深熔焊小孔的上半部分相對(duì)應(yīng)，后者對(duì)應(yīng)小孔的下半部分。 其次，建立了三維數(shù)值模型，研究激光深熔焊過(guò)程中的傳熱和流體流動(dòng)。在計(jì)算焊接熔池的對(duì)流過(guò)程中，考慮了表面張力和浮力的影響，通過(guò)用戶自定義函數(shù)LJDF，將由旋轉(zhuǎn)高斯體熱源和雙橢球體熱源組

3、成的內(nèi)熱源添加給能量守恒方程的熱源項(xiàng)。對(duì)于液固混合的糊狀區(qū)，使用了固定網(wǎng)格的熱焓一空隙技術(shù)來(lái)描述。使用控制容積法離散控制方程，即離散三維的連續(xù)方程、動(dòng)量方程及能量方程為非線性偏微分方程之后，采用SIMPLE算法，借助CFD商用軟件FLUENT求解器，求解控制方程組，得到了不同激光功率下、不同焊接速度下的小孔形狀、尺寸和焊接熔池的大小及熔池的流動(dòng)速度分布。 新建立的熱源模型反映了激光深熔焊接時(shí)小孔傳熱的本質(zhì)特征。采用此組合熱源，對(duì)

4、小孔和焊接熔池的研究發(fā)現(xiàn)，在完全熔透的情況下，激光小孔上下出口的直徑隨著激光功率的增加變化不明顯，而小孔的傾斜角度以及由小孔壁曲率變化引起的壓力，與焊接速度的大小有直接的關(guān)系。在小孔內(nèi)氣流壓力、熔池靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力一定的條件下，隨著焊接速度的增加，小孔的穩(wěn)定性逐漸下降。焊接熔池的對(duì)流換熱主要受表面張力梯度的影響，熔池后部上表面附近旋渦的存在，就是表面張力梯度作用的結(jié)果。在工件厚度方向，激光束流直接輻照的一側(cè)，熔池流動(dòng)速度最大。試驗(yàn)焊縫

5、形狀、尺寸和計(jì)算得到的焊縫情況較為吻合，說(shuō)明本文建立的組合體熱源模型是合適的。最后，使用數(shù)值模擬的方法，模擬了輔助氣流、小孔噴發(fā)氣流及周圍大氣交互作用下的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布和組分氣流流動(dòng)速度場(chǎng)。在輔助氣流噴嘴位置一定的前提下，研究輸送氣流的角度分別為15°、30°、45°、60°時(shí)，氣流流量分別為10 L/min、12.5 L/min、15 L/min、17.5 L/min和20 L/min情況下保護(hù)區(qū)的尺寸和流場(chǎng)。 研究表明，在

6、激光深熔焊接條件下，輔助氣流流量和噴嘴角度，以及保護(hù)氣體種類是影響保護(hù)區(qū)位置和尺寸的主要因素。模擬結(jié)果顯示，在側(cè)吹輔助氣流噴嘴直徑和高度一定、激光小孔出口氣流速度不變的條件下，保護(hù)區(qū)的位置和特征尺寸，受輔助氣流的性質(zhì)和氣流參數(shù)的直接影響。在輔助氣流參數(shù)相同的條件下，采用氦氣時(shí)的特征保護(hù)區(qū)尺寸總是大于采用氬氣時(shí)的情況。隨著輔助氣流流量的增加，特征保護(hù)區(qū)的尺寸是增加的。在輔助氣流流量不變的前提下，側(cè)吹角度較大時(shí)所對(duì)應(yīng)的特征保護(hù)區(qū)尺寸較小，而