铝合金EBW熔池行为及焊缝成形规律的数值模拟研究

发布时间：2018-03-24 09:55

本文选题：铝合金　切入点：电子束深熔焊　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：电子束深熔焊具有能量密度高、焊缝深宽比大、变形小及接头性能优异等诸多优点,被广泛应用于大厚度铝合金结构件的连接制造。如何保证大厚度铝合金板电子束焊缝成形质量,成为人们关注的焦点。众所周知,熔池传热、流体流动及匙孔演变行为是决定焊缝成形质量的关键,而这方面的理论研究却非常少且很不深入。为此,本文通过数值计算及实验验证来研究电子束深熔焊接过程的熔池行为,并在此基础上获得焊缝成形机理及规律,这对于丰富尚不完善的理论体系及保证焊缝成形质量具有重要的指导意义。在深入了解电子束焊熔池物理输运现象的基础上,分别建立了耦合熔池热流输运及匙孔演变过程的2219铝合金厚板定点焊及连续焊过程的三维数学模型。根据电子束散射特性及能量沉积特点,并结合VOF追踪算法及热焓-孔隙率法,提出了能自动追踪匙孔轮廓并确定电子束加热深度的自适应热源模型。该模型由蒸汽辅助热源与高斯形式表面热流组成。采用该自适应热源模型,并结合多种流体驱动力如金属蒸汽反冲压力、表面张力、Marangoni剪切力以及流体静压力等,详细描述了真空环境下瞬态熔池的传热、多种流态流体的输运及匙孔演变过程,如匙孔钻孔、稳定、回填及塌陷等物理现象。在此基础上,对定点焊及连续焊焊缝成形机理进行阐述。整个数学建模基于ANSYS FLUENT流体动力学软件,借助于用户自定义函数UDF进行编程,以源项形式添加热源、散热等能量边界条件以及各种流体驱动力等动量边界条件,使用有限体积法对控制方程进行数值离散,并采用PISO算法实施数值求解。基于所建立的热流耦合数学模型,系统分析了不同束流规范下点焊缝的成形机理,包括钉头、钉身、“火山口”弧坑及钉尖缺陷的成因等。研究表明,钉头区域的形成源于Marangoni剪切力导致的增强热传递及金属蒸汽对匙孔开口的保温作用;钉身区域的形成源于金属蒸汽反冲压力的钻孔作用;“火山口”弧坑的形成源于回填流体惯性流动过程中突出隆起的回落作用。与此同时,研究发现随着束流的增加,它们的尺寸都呈增加趋势。此外,研究还发现钉尖缺陷的形成与匙孔深度、匙孔塌陷过程以及束在匙孔底部停留时间密切相关。随着匙孔深度增加,它的不稳定性增加,因此越容易在底部塌陷并将难以逃逸的金属蒸汽捕获形成大的空腔;加之电子束在匙孔底部停留时间过短,周围液态金属量少,难以对空腔进行充分补缩,从而导致了钉尖缺陷的形成。基于所建立的热流耦合数学模型,系统分析了不同束流规范下连续焊缝的成形机理,包括熔深、熔宽以及余高的成因。其中,熔深和熔宽的成形机理与点焊过程十分类似。余高的形成则是蒸汽反冲压力诱导的“流态Ⅲ”、“流态Ⅵ”以及表面张力诱导的“流态Ⅴ”综合作用的结果。研究表明,随着束流的增加,“流态Ⅲ”和“流态Ⅵ”向熔池后上方顶部表面输运堆积发生体积膨胀的金属量要明显高于“流态Ⅴ”迁移的金属量,从而导致焊缝余高凸起的增加。在研究定点焊及连续焊物理输运现象的过程中,还揭示了一些特征物理量如最高蒸气压及最高匙孔壁温的演变规律。研究表明,电子束热流在深度方向上的衰减分布是导致这种演变趋势的内因。研究还发现,所有束流规范下最高蒸气压的幅值都小于1 atm,对应的最高匙孔壁温也都小于1 atm对应的材料沸点,在此基础上分析和阐述了电子束焊与激光焊以及等离子弧焊接过程的不同。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG457.14

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