基于VOF方法激光深熔焊接小孔行為的數(shù)值分析.pdf

1、激光焊接是利用高能量密度的激光脈沖對材料微小區(qū)域進行局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導(dǎo)向材料內(nèi)部擴散，材料熔化后形成熔池。它是一種新型的焊接方式，激光焊接主要針對薄壁材料、厚板材料以及精密零件等等，可實現(xiàn)點焊、對接焊、疊焊、密封焊、深熔焊等，熔池的深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，速度快，焊縫平整、美觀，焊后無需處理或只需簡單處理，焊縫質(zhì)量高，無氣孔，可精確控制，聚焦光點小，定位精度高，易實現(xiàn)自動化。
　　針對激光深熔焊接

2、小孔行為、熔池流動的實驗觀測，國內(nèi)外研究人員多采用高速CCD攝像、X-射線、紅外成像等試驗手段來研究小孔和熔池的耦合行為，但這些實驗手段并不能獲得全面有效的小孔及熔池內(nèi)部流場、壓力場及溫度場數(shù)據(jù)。因此，建立合適的綜合模型，通過數(shù)值模擬的手段獲得小孔壁面和熔池內(nèi)部的能量、壓強、溫度、速度等物理量以及小孔實時形貌，對于探討激光焊接的本質(zhì)以及有關(guān)物理現(xiàn)象具有十分重要的科學(xué)意義。
　　圍繞上述關(guān)鍵問題，本文對激光深熔焊接過程中瞬態(tài)小孔和運

3、動熔池耦合行為進行了合理假設(shè)和研究，針對激光定點焊接過程，在考慮表面張力、氣化壓力、浮力、液固之間相互作用力以及熔池內(nèi)層流、輻射和液氣界面?zhèn)鳠崤c傳質(zhì)等因素的影響，建立了激光定點焊過程中激光熱源隨熔深變化的自適應(yīng)模型，通過VOF方法對熔池自由表面進行動態(tài)追蹤，并對熔池的深度、溫度分布、壓力分布、焊縫形貌的動態(tài)演變過程進行了分析。結(jié)果表明:因材料受熱氣化產(chǎn)生的氣化壓力是小孔形成的重要驅(qū)動力;氣化壓力導(dǎo)致熔池底部壓力較熔池上部更大，同時對焊接

4、熔池有向下的推動力;材料氣化時產(chǎn)生的氣化壓力將液態(tài)金屬沿小孔壁面向上排出，由于Boussinesq浮力和氣化壓力的共同作用在工件表面上形成堆高;氣化壓力對熔池的強烈擠壓作用使得熔池下部液態(tài)金屬相對較“稀薄”，導(dǎo)致熔池下部以熱傳導(dǎo)方式為主，熔池上部以對流傳熱為主;當(dāng)定點焊接時間t＞10ms時容易形成釘尖缺陷。
　　針對連續(xù)激光深熔焊接過程中，為了探究移動激光束對熔池流動以及移動小孔動態(tài)演變的影響，建立了連續(xù)激光深熔焊接隨熔深變化的自

5、適應(yīng)熱源，并對焊接過程中焊縫成形過程進行抽象，提出了熔池凝固模型，對熔池的深度、溫度分布、流場分布以及相同焊速不同功率下小孔的動態(tài)演變過程進行了模擬分析。結(jié)果表明:當(dāng)焊速為0.08m/s，功率分別為1600、2000、2400W，焊接時間t＜7.2ms時，運動熔池形成過程中，小孔深度隨時間成線性增長;當(dāng)焊接時間t＞7.2ms時，小孔深度值發(fā)生高頻振蕩，但深度平均值趨于穩(wěn)定;隨著激光光束的移動，激光束主要作用于熔池前壁面上，導(dǎo)致熔池前壁受