不同重力水平下电子束焊接熔池行为与熔滴过渡研究

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1、博士学位论文不同重力水平下电子束焊接熔池行为与熔滴过渡研究RESEARCHONMOLTENPOOLBEHAVIORANDMETALTRANSFERDURINGELECTRONBEAMWELDINGUNDERDIFFERENTGRAVITYLEVEL王厚勤哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TG456.3学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学博士学位论文不同重力水平下电子束焊接熔池行为与熔滴过渡研究博士研究生：王厚勤导师：冯吉才教授副导师：张秉刚教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期

2、：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG456.3U.D.C:621.791DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMOLTENPOOLBEHAVIORANDMETALTRANSFERDURINGELECTRONBEAMWELDINGUNDERDIFFERENTGRAVITYLEVELCandidate：WangHouqinSupervisor：Prof.FengJicaiAssociatedSupervisor：Prof.ZhangBingg

3、angAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialScienceandEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着空间技术的发展，空间任务对空间建造、维修和维护技术提出了迫切需求。发展太空焊接技术有助于提升空间建造、维修

4、和维护的能力。太空特殊环境因素中，微重力环境对熔化焊接影响最大；地面众多焊接方法中，电子束焊接方法的空间适应性最好。本文针对太空焊接，开展1G与0G重力水平下焊接熔池行为与熔滴过渡数值模拟研究。首先开发电子束焊接多物理场数值模拟模型，实现电子束发射、传输、电子束与工件作用、熔池内部热流耦合过程的电子束焊接全流程模拟。通过1G重力下的工艺试验验证模型的可靠性，评价模型的计算精度。将模型应用于电子束热导焊、电子束深穿焊及电子束填丝焊接熔滴过渡行为的数值模拟，揭示0G重力对电子束焊接过程的作用机制。电子束焊接多物理场数值模型由电子束焊接动态面热源模型与电子束熔

5、池流场模型两部分构成。对电子枪开展电子光学计算获取了电子束径向能量分布函数。通过电子束与工件相互作用计算，获得了电子束能量利用效率及电子束在工件内的穿透深度。利用熔池自由液面跟踪方法，将模拟得到的径向分布的电子束能量动态施加到熔池表面电子束作用层内，从而建立了动态分布的电子束面热源模型。在电子束焊接熔池流动行为数值模型中，引入熔池凝固收缩模型，建立了焊接熔池空化与气泡模型、三维金属蒸汽反作用力模型和铝合金熔池氧化膜作用力模型。采用熔池上限温度模型取代空化模型，解决了计算稳定性问题。采用建立的电子束焊接多物理场数值模型，开展1G重力下纯铝、304不锈钢与Q

6、Cr0.8铜合金电子束焊接熔池流场计算，并与相同条件下的工艺试验进行对比。三种材料的焊缝正面与背面熔宽、正面与背面成形、熔合线形貌均与1G重力下的工艺试验相吻合，证明了模型的可靠性。电子束恒定加热时长为0.5s的纯铝工艺试验与数值计算的焊缝正面宽度分别为5.5mm和5.6mm，背面宽度分别为4.7mm和4.5mm。与1G重力相比，0G重力水平下电子束热导焊熔透熔池的下塌量小，熔池烧穿风险小，对开展焊接有利，而0G重力对未熔透焊缝的成形影响不大。0G重力影响熔池流动的主要机制在于自然对流与流体静压力引起的熔池下垂消失。1G重力水平下自然对流强度随工件厚度增

7、加而增大，流体静压力引起的熔池相对下垂量随熔池半径的增加而增大。依据小Bond数试验标准，1G重力水平下，纯铝工件厚度为h=2mm、熔池半径rm=3mm时，浮力引起的熔池内最大流动速-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文率为Marangoni对流的8.68%，熔池相对下垂量为3.5%。可在地面开展板厚小于2mm、熔池半径小于3mm的纯铝电子束焊接小Bond数试验，研究0G重力的电子束焊接焊缝成形。电子束深穿焊焊接时，金属蒸汽反作用力排出熔池金属形成匙孔。匙孔前壁熔化金属在表面张力梯度驱动下向上方和后方流动，匙孔壁面凸起处在金属蒸汽反作用力作用下向底部流动。

8、匙孔壁面的波动以及向上与向下流动的汇合促进了匙孔壁面碰撞形成气泡。熔池气泡会阻止