激光深熔焊过程熔池流动特性数值模拟与分析

发布时间：2017-03-17 15:09

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【摘要】：目前，随着激光焊接工艺向多元化发展，激光器的品质越来越高，使高速激光焊和大功率深穿透激光焊在航空航天、船舶制造和汽车制造等领域的应用越来越广，传统的激光深熔焊熔池流体流动理论已不能覆盖现有激光焊的工艺范畴，对于焊接过程中出现的一些新的物理现象，尚不能够完全解释它们。 本文基于试验观测到的激光深熔焊熔池流动特性，采用有限元数值模型方法系统分析焊接速度、预热等条件下的熔池流动行为，并通过对表面张力、浮力等熔池流动驱动的本质因素出发，阐明影响熔池流动的因素及其影响规律。 利用日本大阪大学溶接研究所试验条件进行的激光焊接熔池X射线穿透法在线监测试验，发现：高速焊接条件下，熔池中匙孔后方的漩涡形成与流体流速发生了重要改变，直接影响了焊缝中气孔的形成。 为研究激光深熔焊流体流动行为的影响因素，本文通过三维流体力学软件Fluent，建立了激光深熔焊热-流耦合数学模型，研究了焊接速度、预热条件等对熔池流体流动的影响规律，利用物理模拟实验对数值计算结果进行验证。 计算结果表明，焊接速度对熔池尺寸和流体流动影响显著。随焊接速度增加，熔池形貌发生明显改变，熔池内流体对流减弱，流体流动速度降低，熔池上表面温度梯度和温度均降低，为证明熔池流速变化与温度梯度的相关性，本文模拟计算了不同预热条件下的熔池温度场特征及其对流体流动方向与流速的影响规律。计算结果表明：随温度梯度的增加，熔池流体流速增加，但流动方向没有发生本质变化。 进一步，通过模拟方法系统分析了表面张力、浮力等熔池流动的主要驱动力对熔池流动行为的影响，并通过试验方法进行了验证，结果表明：流体驱动力中表面张力为主要驱动力，，温度梯度和外加活性元素都会对表面张力产生较大影响；浮力为次要驱动力，对流体流动贡献较小，主要受熔池温度的影响；材料热物理性质参数对熔池流动有一定作用，主要受温度影响。
【关键词】：激光深熔焊 熔池流动 数值模拟 温度梯度 表面张力
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题研究意义9
• 1.2 激光深熔焊流体流动特性研究发展9-16
• 1.2.1 激光深熔焊流体驱动行为研究9-12
• 1.2.2 激光深熔焊熔池动态行为研究12-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 第2章 激光深熔焊熔池流动特征在线监测与受力分析17-23
• 2.1 引言17
• 2.2 激光深熔焊熔池流动行为的 X 射线穿透法在线监测17-19
• 2.3 激光深熔焊能量的反射和吸收19-20
• 2.4 激光深熔焊熔池流动理论分析20-21
• 2.4.1 蒸汽摩擦力对熔池流动的影响20
• 2.4.2 表面张力对熔池流动的影响20-21
• 2.4.3 热浮力对熔池流动的影响21
• 2.5 材料热物理性质参数对熔池流动的影响21
• 2.6 匙孔的动态平衡对熔池流动的影响21-23
• 第3章 激光深熔焊热 - 流耦合有限元模型的建立23-41
• 3.1 引言23
• 3.2 激光深熔焊热 - 流耦合有限元模型的建立23-29
• 3.2.1 计算模型假设23-24
• 3.2.2 控制方程组24-25
• 3.2.3 固 - 液 - 气边界条件及源项25-27
• 3.2.4 流体流动驱动力27
• 3.2.5 计算区域的边界条件27-29
• 3.3 热源模型的建立与网格划分29-35
• 3.3.1 热源模型的建立29-31
• 3.3.2 网格划分31-32
• 3.3.3 数值计算方法32-35
• 3.4 热 - 流耦合数学模型的验证35-36
• 3.5 激光深熔焊熔池典型温度场和流场特征36-40
• 3.5.1 温度场特征37-38
• 3.5.2 流场特征38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第4章 工艺条件对激光深熔焊熔池流动的影响41-52
• 4.1 引言41
• 4.2 焊接速度对熔池温度场和流场的影响41-47
• 4.2.1 焊接速度对熔池温度场的影响41-44
• 4.2.2 焊接速度对熔池流场的影响44-47
• 4.3 预热温度对熔池温度场和流场的影响47-50
• 4.4 材料热物理性质对熔池流动的影响50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第5章 激光深熔焊的熔池流动驱动力计算分析52-69
• 5.1 引言52
• 5.2 表面张力和浮力对熔池流动的影响52-62
• 5.2.1 表面张力温度系数对熔池温度场的影响54-56
• 5.2.2 表面张力温度系数对流体流动速度的影响56-58
• 5.2.3 表面张力温度系数对熔池流场的影响58-62
• 5.3 表面张力温度系数对流体流线的影响62-63
• 5.4 活性剂对激光深熔焊焊缝形貌的影响63-68
• 5.4.1 试验材料和方法64
• 5.4.2 试验结果分析64-68
• 5.5 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 郭泽亮;激光焊接技术在舰船建造中的应用[J];舰船科学技术;2005年04期

2 倪梁华;董再胜;沈邗;王鑫;;激光深熔焊热源模型的研究现状[J];科技信息;2012年01期

3 杨强;周进;吴海燕;孙明波;;界面捕捉中耦合Level-set与VOF算法[J];航空计算技术;2012年04期

4 李勇,刘志友,安亦然;介绍计算流体力学通用软件——Fluent[J];水动力学研究与进展(A辑);2001年02期

5 李倩;洪延姬;曹正蕊;黄辉;;激光推进辐射击穿温度特性的数值研究[J];推进技术;2009年06期

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1 杨t

本文编号：253073