激光深熔焊過程的流體動力學研究.pdf

1、本文的目標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的準確信息。傳熱和流體流動計算側重于預測焊接熔池中及其附近液體金屬的對流和溫度場。為了提高焊縫和焊接結構的可靠性，了解焊接的對流和溫度場，一直是當代焊接研究領域的重要目標。為了達到目標，建立了溫度場和流動場的綜合數(shù)學模型，并且通過比較計算結果和實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性。 建立的三維數(shù)學模型，能夠模擬激光深熔焊過程中的傳熱和流體流動。研究內容包括：(1)激光小孔的

2、形態(tài)及其穩(wěn)定性；(2)激光焊接熔池流動速度分布；(3)輔助氣流參數(shù)對熔池的保護區(qū)的影響。 首先，建立激光深熔焊的熱源模型。它是由旋轉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應，后者對應小孔的下半部分。 其次，建立了三維數(shù)值模型，研究激光深熔焊過程中的傳熱和流體流動。在計算焊接熔池的對流過程中，考慮了表面張力和浮力的影響，通過用戶自定義函數(shù)LJDF，將由旋轉高斯體熱源和雙橢球體熱源組

3、成的內熱源添加給能量守恒方程的熱源項。對于液固混合的糊狀區(qū)，使用了固定網格的熱焓一空隙技術來描述。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速度分布。 新建立的熱源模型反映了激光深熔焊接時小孔傳熱的本質特征。采用此組合熱源，對

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系。在小孔內氣流壓力、熔池靜態(tài)壓力和動態(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果。在工件厚度方向，激光束流直接輻照的一側，熔池流動速度最大。試驗焊縫

5、形狀、尺寸和計算得到的焊縫情況較為吻合，說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量分數(shù)分布和組分氣流流動速度場。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，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情況下保護區(qū)的尺寸和流場。 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，以及保護氣體種類是影響保護區(qū)位置和尺寸的主要因素。模擬結果顯示，在側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，保護區(qū)的位置和特征尺寸，受輔助氣流的性質和氣流參數(shù)的直接影響。在輔助氣流參數(shù)相同的條件下，采用氦氣時的特征保護區(qū)尺寸總是大于采用氬氣時的情況。隨著輔助氣流流量的增加，特征保護區(qū)的尺寸是增加的。在輔助氣流流量不變的前提下，側吹角度較大時所對應的特征保護區(qū)尺寸較小，而