激光深熔焊过程的流体动力学研究

《激光深熔焊过程的流体动力学研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要本文的目标是研究完全熔透的激光焊接工艺，获得焊接熔池传热和流体流动的准确信息。传热和流体流动计算侧重于预测焊接熔池中及其附近液体金属的对流和温度场。为了提高焊缝和焊接结构的可靠性，了解焊接的对流和温度场，一直是当代焊接研究领域的重要目标。为了达到目标，建立了温度场和流动场的综合数学模型，并且通过比较计算结果和实验数据验证了模型的正确性。建立的三维数学模型，能够模拟激光深熔焊过程中的传热和流体流动。研究内容包括：(1)激光小孔的形态及其稳定性；(2)激光焊接熔池流动速度分布；(3)辅助气流参数对熔池的保护区的影响。首先，建立激光深熔焊的热源模型。它是由旋转高斯体热源和双椭球型体热源组成的体热

2、源组成的。前者与激光涤熔焊小孔的上半部分相对应，后者对应小孔的下半部分。其次，建立了三维数值模型，研究激光深熔焊过程中的传热和流体流动。在计算焊接熔池的对流过程中，考虑了表面张力和浮力的影响，通过用户自定义函数UDF，将由旋转高斯体热源和双椭球体热源组成的内热源添加给能量守恒方程的热源项。对于液固混合的糊状区，使用了固定网格的热焓—空隙技术来描述。使用控制容积法离散控制方程，即离散三维的连续方程，动量方程及能量方程为非线性偏微分方程之后，采用SIMPLE算法，借助CFD商用软件FLUENT求解器，求解控制方程组，得到了不同激光功率下、不同焊接速度下的小孔形状、尺寸和焊接熔池的大小及熔池的流动速

3、度分布。新建立的热源模型反映了激光深熔焊接时小孔传热的本质特征。采用此组合热源，对小孔和焊接熔池的研究发现，在完全熔透的情况下，激光小孔上下出口的直径随着激光功率的增加变化不明显，而小孔的倾斜角度以及由小孔壁曲率变化引起的压力，与焊接速度的大小有直接的关系。在小孔内气流压力、熔池静态压力和动态压力一定的条件下，随着焊接速度的增加，小孔的稳定性逐渐下降。焊接熔池的对流换热主要受表面张力梯度的影响，熔池后部上表面附近旋涡的存在，就是表面张力梯度作用的结果。在工件厚度方向，激光束流直接辐照的一侧，熔池流动速度最大。试验焊缝形状、尺寸和计算得到的焊缝情况较为吻合，说明本文建立的组合体热源模型是合适的。

4、最后，使用数值模拟的方法，模拟了辅助气流、小孔喷发气流及周围大气交互作用下的组分质量分数分布和组分气流流动速度场。在辅助气流喷嘴位置一定的前提下，研究输送气流的角度分别为15’、30‘、45‘、60。时，气流流量分别为10L／min、12．5L／rain、15L／min、17．5L／min和20L／min情况下保护区的尺寸和流场。研究表明，在激光深熔焊接条件下，辅助气流流量和喷嘴角度，以及保护气体种类是影响保护区位置和尺寸的主要因素。模拟结果显示，在侧吹辅助气流喷嘴直径和高度一定、激光小孔出口气流速度不变的条件下，保护区的位置和特征尺寸，受辅助气流的性质和气流参数的直接影响。在辅助气流参数相同

5、的条件下，采用氦气时的特征保护区尺寸总是大于采用氩气时的情况。随着辅助气流流量的增加，特征保护区的尺寸是增加的。在辅助气流流量不变的前提下，侧吹角度较大时所对应的特征保护区尺寸较小，而侧吹角度较小时多对应的特征保护区的尺寸较大。来自小孔的气流对组分气流的流动产生强烈的扰动，小孔附近的流动方向发生明显的改变。关键词：激光焊接；数值模拟；小孔；焊接熔池：温度场；速度矢量；保护气体ⅡABSTRACTTlaeobjectiveofthisDi髂廿衄ti∞istostudyfullypCllCll'砒ionlaserweldingprocessesandgetaccurateknowledgeoftla

6、eheattransferandfluidflowin1heweldp001．TheheattransferandfluidflowⅨJleulationisfocusedOnthel,r。dietionsoftlaeliquidmetalconvectioninandaroundtheweldpoolandthetemr,mturedistribution．1Jnderstandingtheseprocesseshasbeen锄importantgoalinthecontemporaryweldingresearelatoaelaieves'tnleturauysoundandreliabl

7、ewelds．Toachievethisobjective,comprehensivemathematicalmodelswel'edevelopedandthemodelswe坨validatedbyeoml脚'ingthecomputedresultswiththeexperimentaldata．Amathematicalmodelthatiscapableofsimulatingthefl