铝合金摆动激光焊熔池热场与流场研究

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1、硕士学位论文铝合金摆动激光焊熔池热场与流场研究STUDYONTEMPERATUREFIELDANDFLOWFIELDOFALUMINUMALLOYOSCILLATINGLASERWELDINGMOLTENPOOL郝雨哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG456.7学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工程硕士学位论文铝合金摆动激光焊熔池热场与流场研究硕士研究生：郝雨导师：陶汪副教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈

2、尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG456.7U.D.C:621.791DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTEMPERATUREFIELDANDFLOWFIELDOFALUMINUMALLOYOSCILLATINGLASERWELDINGMOLTENPOOLCandidate:HaoYuSupervisor:AssociateProf.TaowangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineerin

3、gSpeciality:MaterialsEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要铝合金激光焊接易出现焊缝成形不良、气孔等问题，一直被看做为激光焊接中可焊性不好的材料。随着光束成形技术的发展，摆动激光焊技术越来越成熟，为解决这些问题，通过光

4、束摆动可通过增大热源作用面积、增强对熔池的搅拌作用，在较大程度上改善上述问题。目前对于摆动激光焊接的研究工作主要集中在焊接工艺方面，对于其在熔池传热传质相关机理方面的研究鲜有报道。本文针对摆动激光自熔、填丝焊接方法，基于Flow3D数值模拟平台对摆动激光焊接过程的熔池热场与流场特性进行数值模拟，为工艺优化与焊缝组织性能的调控提供理论依据。本文以5A06铝合金为材料，建立激光摆动焊的热流耦合模型，采用trueVOF方法追踪熔池自由表面，并考虑反冲压力、表面张力和浮力等力的作用。首先对比分析了当光束常规移动、垂直摆

5、动、圆形摆动等不同路径时，焊接熔池的热场和流场特点，并结合试验结果，证明了采用圆形摆动路径可以获得流动性更好的焊接熔池，获得较优的焊缝成形和较低气孔率。进一步，基于光束圆形摆动焊接方法，通过数值模拟与试验结果的结合，系统研究了摆动幅值、摆动频率和焊接速度等参数对熔池热场流场及焊缝形貌、气孔率的影响规律。研究结果表明，随摆动幅度增大，熔池深宽比明显减小，熔池稳定性增强；随摆动频率增大，熔池内部液体流动方向将发生较大变化，熔池内部主要涡流从水平向垂直方向变化，焊缝表面成形更好，气孔率明显降低；摆动焊条件下，提高焊接

6、速度，会减小熔池深度和宽度，但对焊缝气孔率影响不大。最后，本文建立了摆动激光填丝焊接的热流耦合计算模型，将焊丝的填入过程拟合为计算域的动量源项，分析了焊丝填入对于熔池热场、流场的影响，及其相对于常规激光填丝焊接的变化，并进一步研究了送丝速度对摆动激光填丝焊接熔池特性的影响规律。结果表明，随送丝速度的增大，熔池中对流现象逐渐减少，熔池稳定性提高。关键词：铝合金；摆动激光焊接；激光填丝焊；温度场；流场-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAluminumalloylaserweldingisprone

7、toproblemssuchaspoorweldformation,porosity,etc.Ithasbeenregardedasapoorweldablematerialinlaserwelding.Withthedevelopmentofbeamformingtechnology,theoscillatinglaserweldingtechnologyhasbecomemoreandmoremature.Inordertosolvetheseproblems,theaboveproblemscanbeim

8、provedtoagreatextentbyincreasingtheareaoftheheatsourceandenhancingthestirringeffectonthemoltenpoolthroughbeamoscillation.Atpresent,theresearchworkontheoscillatinglaserweldingismainlyfocusedonthe