不同重力水平下电子束焊接熔池行为与熔滴过渡研究

发布时间：2020-06-10 14:38

【摘要】：随着空间技术的发展,空间任务对空间建造、维修和维护技术提出了迫切需求。发展太空焊接技术有助于提升空间建造、维修和维护的能力。太空特殊环境因素中,微重力环境对熔化焊接影响最大;地面众多焊接方法中,电子束焊接方法的空间适应性最好。本文针对太空焊接,开展1G与0G重力水平下焊接熔池行为与熔滴过渡数值模拟研究。首先开发电子束焊接多物理场数值模拟模型,实现电子束发射、传输、电子束与工件作用、熔池内部热流耦合过程的电子束焊接全流程模拟。通过1G重力下的工艺试验验证模型的可靠性,评价模型的计算精度。将模型应用于电子束热导焊、电子束深穿焊及电子束填丝焊接熔滴过渡行为的数值模拟,揭示0G重力对电子束焊接过程的作用机制。电子束焊接多物理场数值模型由电子束焊接动态面热源模型与电子束熔池流场模型两部分构成。对电子枪开展电子光学计算获取了电子束径向能量分布函数。通过电子束与工件相互作用计算,获得了电子束能量利用效率及电子束在工件内的穿透深度。利用熔池自由液面跟踪方法,将模拟得到的径向分布的电子束能量动态施加到熔池表面电子束作用层内,从而建立了动态分布的电子束面热源模型。在电子束焊接熔池流动行为数值模型中,引入熔池凝固收缩模型,建立了焊接熔池空化与气泡模型、三维金属蒸汽反作用力模型和铝合金熔池氧化膜作用力模型。采用熔池上限温度模型取代空化模型,解决了计算稳定性问题。采用建立的电子束焊接多物理场数值模型,开展1G重力下纯铝、304不锈钢与QCr0.8铜合金电子束焊接熔池流场计算,并与相同条件下的工艺试验进行对比。三种材料的焊缝正面与背面熔宽、正面与背面成形、熔合线形貌均与1G重力下的工艺试验相吻合,证明了模型的可靠性。电子束恒定加热时长为0.5s的纯铝工艺试验与数值计算的焊缝正面宽度分别为5.5mm和5.6mm,背面宽度分别为4.7mm和4.5mm。与1G重力相比,0G重力水平下电子束热导焊熔透熔池的下塌量小,熔池烧穿风险小,对开展焊接有利,而0G重力对未熔透焊缝的成形影响不大。0G重力影响熔池流动的主要机制在于自然对流与流体静压力引起的熔池下垂消失。1G重力水平下自然对流强度随工件厚度增加而增大,流体静压力引起的熔池相对下垂量随熔池半径的增加而增大。依据小Bond数试验标准,1G重力水平下,纯铝工件厚度为h=2mm、熔池半径rm=3mm时,浮力引起的熔池内最大流动速率为Marangoni对流的8.68%,熔池相对下垂量为3.5%。可在地面开展板厚小于2mm、熔池半径小于3mm的纯铝电子束焊接小Bond数试验,研究0G重力的电子束焊接焊缝成形。电子束深穿焊焊接时,金属蒸汽反作用力排出熔池金属形成匙孔。匙孔前壁熔化金属在表面张力梯度驱动下向上方和后方流动,匙孔壁面凸起处在金属蒸汽反作用力作用下向底部流动。匙孔壁面的波动以及向上与向下流动的汇合促进了匙孔壁面碰撞形成气泡。熔池气泡会阻止电子束对熔池底部的加热,使得焊缝底部易形成锯齿形焊缝、钉尖、冷隔等缺陷。气泡受热膨胀能够排出熔池底部液态金属,气泡破裂后电子束对熔池底部加热,熔深迅速增加。0G重力水平下流体静压力消失,降低了金属蒸汽反作用力或气泡膨胀排出熔池底部液态金属的难度,促进了熔深增加,对电子束深穿焊接有利。上限温度Tp=2800K,电子束功率Pw=3.6k W,镁含量为ωMg=4at%时,铝合金板厚3mm,0G重力下电子束在te=7.5ms时铝合金板熔透,而1G重力下te=7.5ms时熔深为板厚的75.7%。0G重力水平下电子束焊丝无法直接送入电子束下方,通过电子束偏转填丝焊工艺与插入过渡模式可实现0G重力水平下电子束填丝焊接熔滴的稳定过渡。
【图文】：

人类首次,外焊,空间运行,宇航员

图 1-1 人类首次外太空舱外焊接试验[7]Fig.1-1 The first human extravehicular welding experiment[7]国于 20 世纪 60 年代设计了宇航员手持电子枪，开始了太空电工作。1973 年，NASA 开发了用于 Skylab 空间站的设备开展了切割与熔化金属试验[14, 22]，，证实了电子束对长期空间运行结构

抛物线飞行,阶段

抛物线飞行阶段[43]
【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】：2018
【分类号】：TG456.3

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