侧吹气流下高功率激光焊接数值仿真与实验研究

发布时间：2021-07-08 06:01

　　激光焊接具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊接速度快、适用于柔性制造等优点,在轨道交通、汽车制造、航天工程等行业中应用广泛。相比低功率激光焊接,高功率激光焊接（大于5k W）具有更大的能量密度,可实现中厚壁构件（大于4 mm）的高效焊接,有着巨大的发展潜力与研究意义。高功率激光焊接中激光功率的提高使得焊缝质量、力学性能更难控制,相比于低功率激光焊接更易出现焊接缺陷。而侧吹气流能改变熔池内液态金属的流动行为及小孔开口形貌,可用于提高高功率激光焊接质量。本文通过实验与数值仿真的方法研究侧吹气流作用下高功率激光焊接气-液-固三相转变过程中的传热传质机理,研究焊接中熔池小孔动力学行为及稳定性条件,分析侧吹气流对高功率激光焊接过程影响的作用机制,对获得良好焊接质量有着重要的工艺指导意义。针对侧吹气流作用下316L不锈钢高功率激光焊接熔池小孔动态行为与焊接质量相关性进行了数值模拟和实验研究,取得的成果如下:（1）建立了侧吹气流下高功率激光焊接数学模型。其中,建立的三维组合热源模型在模拟中根据实时获取的小孔深度自适应变化,同时在模型中考虑了羽辉中微粒作用下入射激光能量衰减效应,建立激光输入能量与蒸汽羽高... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

CO2激光—GMA复合焊熔池小孔数值仿真结果

图 1-3 不同保护气下的焊缝显微组织[46]值仿真的手段，建立焊接保护气作用下的高功率激光焊接可以通过模拟获得的熔融金属流动行为、金属蒸汽的运动熔池小孔的变化特征，更好地反映焊接保护气对高功率激机理，这也成为了当前国内外的重要研究课题。Ki 等人孔焊接模型，考虑了自由界面的演化、沸腾、蒸发以及多指出多相流交界面的演变过程在激光焊接模拟中十分重中考虑了激光焊接中小孔壁接收激光能量的波动性以及比较了不同辅助气流下焊接保护区的位置和尺寸大小，研的变化对焊接保护区保护气体质量分数的影响。Amara 拟了小孔、熔池以及气体之间的界面演变过程，如图 1-4惰性气体射流对熔池有着显著的扰动作用。Zhang 等人[52程中，侧吹气流和金属蒸汽射流对熔池流动行为的影响，光深熔焊接过程中使用侧吹气流抑制飞溅及气孔产生的

图 1-4 侧吹气流作用下小孔形貌及熔池动力学行为模拟结果[50]由此可见，大量的工艺试验结果表明侧吹气流工艺参数的变化对于焊接接头的焊缝形貌、焊缝显微组织、等离子形态、接头力学性能有着显著地影响。但已有的激光焊接数学模型并未详细研究侧吹气流工艺参数的变化对焊接过程的影响，对于侧吹气流作用下熔池小孔动态行为及金属蒸汽特征行为研究仍有欠缺。综上所述，低功率激光焊接的熔池动态行为实验与仿真模拟研究逐渐趋于成熟，主要侧重于激光焊接过程中的熔池温度场、熔池流动、小孔形貌、金属蒸汽行为及实验验证。但是，高功率激光焊接下的熔池动态行为与低功率激光焊接有着明显的差异，其熔池流动极为复杂，传热传质剧烈，小孔严重失稳，金属蒸汽行为也十分强烈，以往的模型难以准确反映高功率激光焊接过程中激光能量随小孔深度大幅波动而产生的强烈变化，且为简化求解难度，上述模型对激光焊接过程有较大影响的侧吹气流常常进行简化处理。因此有必要建立侧吹气流作用下高功率激光焊接三维多相流瞬态数学模型，通过仿真模拟来深入研究高功率激光焊


本文编号：3271004