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(duì)材料微小區(qū)域進(jìn)行局部加熱，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料內(nèi)部擴(kuò)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(duì)薄壁材料、厚板材料以及精密零件等等，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)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(wú)需處理或只需簡(jiǎn)單處理，焊縫質(zhì)量高，無(wú)氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
　　針對(duì)激光深熔焊接

2、小孔行為、熔池流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究人員多采用高速CCD攝像、X-射線(xiàn)、紅外成像等試驗(yàn)手段來(lái)研究小孔和熔池的耦合行為，但這些實(shí)驗(yàn)手段并不能獲得全面有效的小孔及熔池內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。因此，建立合適的綜合模型，通過(guò)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(qiáng)、溫度、速度等物理量以及小孔實(shí)時(shí)形貌，對(duì)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(wèn)題，本文對(duì)激光深熔焊接過(guò)程中瞬態(tài)小孔和運(yùn)

3、動(dòng)熔池耦合行為進(jìn)行了合理假設(shè)和研究，針對(duì)激光定點(diǎn)焊接過(guò)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(diǎn)焊過(guò)程中激光熱源隨熔深變化的自適應(yīng)模型，通過(guò)VOF方法對(duì)熔池自由表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤，并對(duì)熔池的深度、溫度分布、壓力分布、焊縫形貌的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)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(dòng)力;氣化壓力導(dǎo)致熔池底部壓力較熔池上部更大，同時(shí)對(duì)焊接

4、熔池有向下的推動(dòng)力;材料氣化時(shí)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(duì)熔池的強(qiáng)烈擠壓作用使得熔池下部液態(tài)金屬相對(duì)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(duì)流傳熱為主;當(dāng)定點(diǎn)焊接時(shí)間t＞10ms時(shí)容易形成釘尖缺陷。
　　針對(duì)連續(xù)激光深熔焊接過(guò)程中，為了探究移動(dòng)激光束對(duì)熔池流動(dòng)以及移動(dòng)小孔動(dòng)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(duì)焊接過(guò)程中焊縫成形過(guò)程進(jìn)行抽象，提出了熔池凝固模型，對(duì)熔池的深度、溫度分布、流場(chǎng)分布以及相同焊速不同功率下小孔的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)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(shí)間t＜7.2ms時(shí)，運(yùn)動(dòng)熔池形成過(guò)程中，小孔深度隨時(shí)間成線(xiàn)性增長(zhǎng);當(dāng)焊接時(shí)間t＞7.2ms時(shí)，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(dòng)，激光束主要作用于熔池前壁面上，導(dǎo)致熔池前壁受