激光焊接焊缝成分预测模型

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要商功率激光焊接合金材料时，常常导致焊缝合金元素的损失，从而影响焊缝的组织和性能。本文在前人研究的基础上，建立了激光焊接焊缝成分损失的计算模型，并分析合金元素的损失对焊缝组织的影响。在建立成分计算的模型时，焊接熔池的速度场和温度场可以通过Navier-Stokes方程和能量守恒方程模拟出来，计算温度场时考虑了熔池表面金属蒸汽的速度分布、气相分子的质量、动量和能量守恒。在此基础上，计算金属蒸汽的蒸发率和凝结率。健立成分计算模型时考虑了：、1．压力梯度引起的蒸发量。激光作用于金属材料表面时，材料表面的温度往往高于合金的沸点温度，从而使金属材料蒸发产生

2、大量的金属蒸汽，使得焊接熔池表面的压力高于周围气体的压力，这个压力差提供一种驱动力，驱动熔池表面的金属蒸汽逸出焊接熔池，造成合金元素的损失。由压力梯度引起的蒸发量在激光焊接中占主导地位。2．浓度梯度引起的蒸发量。在焊接熔池表面或小孔内的金属蒸汽中，合金元素的浓度要比周围保护气体和光致等离子体中的合金元素的浓度要高。根据扩散原理，合金元素将会从金属蒸汽中向周围保护气体或光致等离子体中扩散，从而造成合金元素的损失。3．金属蒸汽的强对流和光致等离子体作用引起的凝结量。不管是在焊接熔池表面还是在小孔内部都存在着大量光致等离子体，在等离子体中，中性或离子化的金属及各类保护气体的分予

3、都能与自由电子共存，故系统中高速流动的电子占主导地位。所以流向液体金属表面的电子量比其它各种类型物质的量要高，其结果是液体金属表面带有负极性，而金属蒸汽中大量的离子化金属带正极性。由于正负电荷的相互吸引，有一部分金属蒸汽流向液体金属表面发生凝结并重新回到熔池，减少了合金元素的损失。少论文对建立的模型进行了验证，结果表明，模型的计算值与试验结果很好的吻合。论文还分析了合金元素的损失对焊缝组织的影响，以钛合金TC4为例，对钛合金TC4的焊缝组织分析可知，合金元素Al在钛合金中起到稳定a相的作用。焊接熔池结晶过程中，钛合金TC4中的原始组织B相转变成针状a’相组织。当合金元素A

4、l的含量减少时，即增加了B相的稳定性，从而使焊缝中的针状q’相的量减少。、／、，，77、，7＼，关键词：激光深熔碑压力帮度浓度书吾发光致等蓠子体成分变化模型显微组织、／I华中科技大学硕士学位论文AbstractTheuseofhigh-powerdensitylaserbeamforweldingofmanymetalalloysoftenleadstoappreciablechangesinthecompositionandpropertiesoftheweldmetal。Thepapersimulatesweldmetalcompositionchangesinlas

5、erweldingonthebaseofformerresearch．weldmicrostructurewhichischangedduetoalloyingelementlossisanalyzedinthepaper．Inthispaperamodelispresentedtopredicttheweldmetalcompositionchangeduringlaserwelding．ThevelocityandtemperaturefieldsinthepoolaresimulatedthroughnumericalsolutionoftheNavier-Stok

6、esequationandtheequationofconservationofenergy．Thecomputedtemperaturefieldsarecoupled、^，imvelocitydistributionfunctionofthevapormoleculesandequationofconservationofmass，momentum，andthetranslationalkineticenergyinthegasphaseforthecalculationoftheevaporationandcondensationrates。Theseaspects

7、a∞consideredinsimulatingthecompositionchanges．1．Vaporizationduetopressuregradient．Inlaserprocessingofmetalsmaterialsurface，thetemperaturereachedonthesurfaceofthematerialoftenexceedthealloyboilingpoint，whichinduceamountofmetalvaporduetometalmaterialevaporation．Thepre