铝/钢电弧辅助激光焊接润湿铺展的数值分析
发布时间：2022-01-16 20:57
针对铝/钢电弧辅助激光对接焊,根据流体力学基本原理,采用VOF（Volume of Fluid）方法追踪自由表面,建立焊接熔池的三维数学模型.通过加载激光热源和电弧辅助激光热源,运用FLOW-3D软件求解得到不同热源作用下熔池的温度场、自由表面及界面接触角.结果表明:单激光作用下x轴方向上距激光热源15mm处的金属温度约为500K,熔池温度场分布范围小,液态金属的润湿铺展受限;辅助电弧的引入改善了温度场分布,为液态金属在钢表面的铺展提供较长时间,x轴方向上距激光热源15mm处的金属被电弧再次加热形成面积较大的熔池,促进了液态金属的润湿铺展;与单激光作用相比,当焊接时间t=6s时,在x=45mm处,电弧辅助激光作用下熔池yz面的自由表面变形较大,铝/钢焊接界面接触角较小,液态金属在钢表面的润湿铺展效果较好.
【文章来源】：兰州理工大学学报. 2016,42(06)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１铝／钢电弧辅助激光对接焊示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌａｒｃ－ａｓｓｉｓｔｅｄ
采用精细网格，远离热源作用区域的网格相对较粗．图２网格划分Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎ２结果与分析图３ａ、ｂ分别为焊接时间ｔ＝１０ｓ时，激光焊接与电弧辅助激光焊接下的熔池温度场分布和焊缝成形．从图３ａ可以看出，单激光作用下的母材受热面积小，熔池最高温度达到９９８．５１７Ｋ，液态金属在钢表面的润湿铺展效果较差，焊缝成形较差；从图３ｂ可以看出，电弧辅助激光焊接母材受热面积大，熔池最高温度达到１０１０．９Ｋ，液态金属在钢表面的润图３不同焊接热源作用下的温度场和焊缝成形Ｆｉｇ．３Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅａｃｔｉｏｎ湿铺展效果较好，焊缝成形良好．从图３ｂ还可以看出，在电弧辅助激光热源的作用下出现了２个熔池，前端在激光作用下形成的熔池面积较小，金属熔化量较少，随着焊接过程的进行，经激光加热的金属在来不及降温的情况下被电弧再次加热，在激光热源后方一定距离形成另一熔池，该熔池面积较大，熔化的金属量较多，使得液态金属向钢侧的流动加强，增强了液态金属的润湿铺展效果．因此，在激光热源后方一定距离处添加小功率的辅助电弧，使母材熔化形成前后有一定距离的２个熔池，即可避免因热源间距过小而导致母材焊穿，还可防止因热源间距过大而使电弧仅起到延长液态金属冷却时间而不能增强润湿铺展效果的现象发生．图４为单激光作用下的铝／钢焊接熔池ｘｙ面的温度场分布随时间的变化情况，从图４可以看出，由于高能量密度的激光束作用于母材表面，使熔池前端的温度梯度变化较大，等温线分布密
采用精细网格，远离热源作用区域的网格相对较粗．图２网格划分Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎ２结果与分析图３ａ、ｂ分别为焊接时间ｔ＝１０ｓ时，激光焊接与电弧辅助激光焊接下的熔池温度场分布和焊缝成形．从图３ａ可以看出，单激光作用下的母材受热面积小，熔池最高温度达到９９８．５１７Ｋ，液态金属在钢表面的润湿铺展效果较差，焊缝成形较差；从图３ｂ可以看出，电弧辅助激光焊接母材受热面积大，熔池最高温度达到１０１０．９Ｋ，液态金属在钢表面的润图３不同焊接热源作用下的温度场和焊缝成形Ｆｉｇ．３Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅａｃｔｉｏｎ湿铺展效果较好，焊缝成形良好．从图３ｂ还可以看出，在电弧辅助激光热源的作用下出现了２个熔池，前端在激光作用下形成的熔池面积较小，金属熔化量较少，随着焊接过程的进行，经激光加热的金属在来不及降温的情况下被电弧再次加热，在激光热源后方一定距离形成另一熔池，该熔池面积较大，熔化的金属量较多，使得液态金属向钢侧的流动加强，增强了液态金属的润湿铺展效果．因此，在激光热源后方一定距离处添加小功率的辅助电弧，使母材熔化形成前后有一定距离的２个熔池，即可避免因热源间距过小而导致母材焊穿，还可防止因热源间距过大而使电弧仅起到延长液态金属冷却时间而不能增强润湿铺展效果的现象发生．图４为单激光作用下的铝／钢焊接熔池ｘｙ面的温度场分布随时间的变化情况，从图４可以看出，由于高能量密度的激光束作用于母材表面，使熔池前端的温度梯度变化较大，等温线分布密
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝/钢电弧辅助激光对接熔钎焊铺展特性[J]. 樊丁,王斌,李春玲,黄健康,余淑荣. 焊接学报. 2016(01)
[2]6063铝合金铸轧板冷却过程的数值模拟[J]. 陈泓业,李胜利,唐广波,李斌. 金属热处理. 2015(04)
[3]铝/钢异种金属电弧辅助激光对接熔钎焊方法[J]. 樊丁,王斌,李春玲,黄健康,余淑荣. 焊接学报. 2015(01)
[4]氧含量对TIG焊瞬态熔池行为影响的数值分析[J]. 樊丁,郝珍妮,黄勇,黄健康. 兰州理工大学学报. 2013(03)
[5]铝/钢异种金属无钎剂激光填粉熔钎焊接[J]. 赵旭东,肖荣诗. 中国激光. 2012(04)
[6]特种钎剂辅助铝/钢异种合金TIG熔-钎焊[J]. 宋建岭,林三宝,杨春利,马广超. 焊接学报. 2010(02)
[7]Surface tension of molten Al-Si alloy at temperatures ranging from 923 to 1123 K[J]. DOU Lei2,3, YUAN ZhangFu1,2↑, LI JianQiang2, LI Jing2,3 & WANG XiaoQiang2 1 Department of Energy and Resources Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 2 State Key Laboratory of Multi-phase Complex System, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China. Chinese Science Bulletin. 2008(17)
[8]铝/钢异种金属Nd:YAG激光-MIG复合热源熔-钎焊接工艺[J]. 雷振,秦国梁,林尚扬,王旭友,王威. 焊接. 2006(06)
[9]GTA焊接熔池特性的数值模拟[J]. 张瑞华,樊丁,杜华云. 兰州理工大学学报. 2004(05)
本文编号：3593408
【文章来源】：兰州理工大学学报. 2016,42(06)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１铝／钢电弧辅助激光对接焊示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌａｒｃ－ａｓｓｉｓｔｅｄ
采用精细网格，远离热源作用区域的网格相对较粗．图２网格划分Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎ２结果与分析图３ａ、ｂ分别为焊接时间ｔ＝１０ｓ时，激光焊接与电弧辅助激光焊接下的熔池温度场分布和焊缝成形．从图３ａ可以看出，单激光作用下的母材受热面积小，熔池最高温度达到９９８．５１７Ｋ，液态金属在钢表面的润湿铺展效果较差，焊缝成形较差；从图３ｂ可以看出，电弧辅助激光焊接母材受热面积大，熔池最高温度达到１０１０．９Ｋ，液态金属在钢表面的润图３不同焊接热源作用下的温度场和焊缝成形Ｆｉｇ．３Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅａｃｔｉｏｎ湿铺展效果较好，焊缝成形良好．从图３ｂ还可以看出，在电弧辅助激光热源的作用下出现了２个熔池，前端在激光作用下形成的熔池面积较小，金属熔化量较少，随着焊接过程的进行，经激光加热的金属在来不及降温的情况下被电弧再次加热，在激光热源后方一定距离形成另一熔池，该熔池面积较大，熔化的金属量较多，使得液态金属向钢侧的流动加强，增强了液态金属的润湿铺展效果．因此，在激光热源后方一定距离处添加小功率的辅助电弧，使母材熔化形成前后有一定距离的２个熔池，即可避免因热源间距过小而导致母材焊穿，还可防止因热源间距过大而使电弧仅起到延长液态金属冷却时间而不能增强润湿铺展效果的现象发生．图４为单激光作用下的铝／钢焊接熔池ｘｙ面的温度场分布随时间的变化情况，从图４可以看出，由于高能量密度的激光束作用于母材表面，使熔池前端的温度梯度变化较大，等温线分布密
采用精细网格，远离热源作用区域的网格相对较粗．图２网格划分Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎ２结果与分析图３ａ、ｂ分别为焊接时间ｔ＝１０ｓ时，激光焊接与电弧辅助激光焊接下的熔池温度场分布和焊缝成形．从图３ａ可以看出，单激光作用下的母材受热面积小，熔池最高温度达到９９８．５１７Ｋ，液态金属在钢表面的润湿铺展效果较差，焊缝成形较差；从图３ｂ可以看出，电弧辅助激光焊接母材受热面积大，熔池最高温度达到１０１０．９Ｋ，液态金属在钢表面的润图３不同焊接热源作用下的温度场和焊缝成形Ｆｉｇ．３Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅａｃｔｉｏｎ湿铺展效果较好，焊缝成形良好．从图３ｂ还可以看出，在电弧辅助激光热源的作用下出现了２个熔池，前端在激光作用下形成的熔池面积较小，金属熔化量较少，随着焊接过程的进行，经激光加热的金属在来不及降温的情况下被电弧再次加热，在激光热源后方一定距离形成另一熔池，该熔池面积较大，熔化的金属量较多，使得液态金属向钢侧的流动加强，增强了液态金属的润湿铺展效果．因此，在激光热源后方一定距离处添加小功率的辅助电弧，使母材熔化形成前后有一定距离的２个熔池，即可避免因热源间距过小而导致母材焊穿，还可防止因热源间距过大而使电弧仅起到延长液态金属冷却时间而不能增强润湿铺展效果的现象发生．图４为单激光作用下的铝／钢焊接熔池ｘｙ面的温度场分布随时间的变化情况，从图４可以看出，由于高能量密度的激光束作用于母材表面，使熔池前端的温度梯度变化较大，等温线分布密
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝/钢电弧辅助激光对接熔钎焊铺展特性[J]. 樊丁,王斌,李春玲,黄健康,余淑荣. 焊接学报. 2016(01)
[2]6063铝合金铸轧板冷却过程的数值模拟[J]. 陈泓业,李胜利,唐广波,李斌. 金属热处理. 2015(04)
[3]铝/钢异种金属电弧辅助激光对接熔钎焊方法[J]. 樊丁,王斌,李春玲,黄健康,余淑荣. 焊接学报. 2015(01)
[4]氧含量对TIG焊瞬态熔池行为影响的数值分析[J]. 樊丁,郝珍妮,黄勇,黄健康. 兰州理工大学学报. 2013(03)
[5]铝/钢异种金属无钎剂激光填粉熔钎焊接[J]. 赵旭东,肖荣诗. 中国激光. 2012(04)
[6]特种钎剂辅助铝/钢异种合金TIG熔-钎焊[J]. 宋建岭,林三宝,杨春利,马广超. 焊接学报. 2010(02)
[7]Surface tension of molten Al-Si alloy at temperatures ranging from 923 to 1123 K[J]. DOU Lei2,3, YUAN ZhangFu1,2↑, LI JianQiang2, LI Jing2,3 & WANG XiaoQiang2 1 Department of Energy and Resources Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 2 State Key Laboratory of Multi-phase Complex System, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China. Chinese Science Bulletin. 2008(17)
[8]铝/钢异种金属Nd:YAG激光-MIG复合热源熔-钎焊接工艺[J]. 雷振,秦国梁,林尚扬,王旭友,王威. 焊接. 2006(06)
[9]GTA焊接熔池特性的数值模拟[J]. 张瑞华,樊丁,杜华云. 兰州理工大学学报. 2004(05)
本文编号：3593408
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