【碩士論文】激光深熔焊過(guò)程的流體動(dòng)力學(xué)研究.pdf

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1、摘要本文的目標(biāo)是研究完全熔透的激光焊接工藝，獲得焊接熔池傳熱和流體流動(dòng)的準(zhǔn)確信息。傳熱和流體流動(dòng)計(jì)算側(cè)重于預(yù)測(cè)焊接熔池中及其附近液體金屬的對(duì)流和溫度場(chǎng)。為了提高焊縫和焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，了解焊接的對(duì)流和溫度場(chǎng)，一直是當(dāng)代焊接研究領(lǐng)域的重要目標(biāo)。為了達(dá)到目標(biāo)，建立了溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)的綜合數(shù)學(xué)模型，并且通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。建立的三維數(shù)學(xué)模型，能夠模擬激光深熔焊過(guò)程中的傳熱和流體流動(dòng)。研究?jī)?nèi)容包括：(1)激光小孔的形態(tài)及其穩(wěn)定性；(2)激光焊接熔池流動(dòng)速度分布；(3)輔助氣流參數(shù)對(duì)熔池的保護(hù)區(qū)的影響。首先，建立激光深熔焊

2、的熱源模型。它是由旋轉(zhuǎn)高斯體熱源和雙橢球型體熱源組成的體熱源組成的。前者與激光滌熔焊小孔的上半部分相對(duì)應(yīng)，后者對(duì)應(yīng)小孔的下半部分。其次，建立了三維數(shù)值模型，研究激光深熔焊過(guò)程中的傳熱和流體流動(dòng)。在計(jì)算焊接熔池的對(duì)流過(guò)程中，考慮了表面張力和浮力的影響，通過(guò)用戶自定義函數(shù)UDF，將由旋轉(zhuǎn)高斯體熱源和雙橢球體熱源組成的內(nèi)熱源添加給能量守恒方程的熱源項(xiàng)。對(duì)于液固混合的糊狀區(qū)，使用了固定網(wǎng)格的熱焓—空隙技術(shù)來(lái)描述。使用控制容積法離散控制方程，即離散三維的連續(xù)方程，動(dòng)量方程及能量方程為非線性偏微分方程之后，采用SIMPLE算法，借助CFD商用軟件F

3、LUENT求解器，求解控制方程組，得到了不同激光功率下、不同焊接速度下的小孔形狀、尺寸和焊接熔池的大小及熔池的流動(dòng)速度分布。新建立的熱源模型反映了激光深熔焊接時(shí)小孔傳熱的本質(zhì)特征。采用此組合熱源，對(duì)小孔和焊接熔池的研究發(fā)現(xiàn)，在完全熔透的情況下，激光小孔上下出口的直徑隨著激光功率的增加變化不明顯，而小孔的傾斜角度以及由小孔壁曲率變化引起的壓力，與焊接速度的大小有直接的關(guān)系。在小孔內(nèi)氣流壓力、熔池靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力一定的條件下，隨著焊接速度的增加，小孔的穩(wěn)定性逐漸下降。焊接熔池的對(duì)流換熱主要受表面張力梯度的影響，熔池后部上表面附近旋渦的存在

4、，就是表面張力梯度作用的結(jié)果。在工件厚度方向，激光束流直接輻照的一側(cè)，熔池流動(dòng)速度最大。試驗(yàn)焊縫形狀、尺寸和計(jì)算得到的焊縫情況較為吻合，說(shuō)明本文建立的組合體熱源模型是合適的。最后，使用數(shù)值模擬的方法，模擬了輔助氣流、小孔噴發(fā)氣流及周?chē)髿饨换プ饔孟碌慕M分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布和組分氣流流動(dòng)速度場(chǎng)。在輔助氣流噴嘴位置一定的前提下，研究輸送氣流的角度分別為15’、30‘、45‘、60。時(shí)，氣流流量分別為10L／min、12．5L／rain、15L／min、17．5L／min和20L／min情況下保護(hù)區(qū)的尺寸和流場(chǎng)。研究表明，在激光深熔焊接條件下，輔助

5、氣流流量和噴嘴角度，以及保護(hù)氣體種類是影響保護(hù)區(qū)位置和尺寸的主要因素。模擬結(jié)果顯示，在側(cè)吹輔助氣流噴嘴直徑和高度一定、激光小孔出口氣流速度不變的條件下，保護(hù)區(qū)的位置和特征尺寸，受輔助氣流的性質(zhì)和氣流參數(shù)的直接影響。在輔助氣流參數(shù)相同的條件下，采用氦氣時(shí)的特征保護(hù)區(qū)尺寸總是大于采用氬氣時(shí)的情況。隨著輔助氣流流量的增加，特征保護(hù)區(qū)的尺寸是增加的。在輔助氣流流量不變的前提下，側(cè)吹角度較大時(shí)所對(duì)應(yīng)的特征保護(hù)區(qū)尺寸較小，而側(cè)吹角度較小時(shí)多對(duì)應(yīng)的特征保護(hù)區(qū)的尺寸較大。來(lái)自小孔的氣流對(duì)組分氣流的流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，小孔附近的流動(dòng)方向發(fā)生明顯的改變。關(guān)

6、鍵詞：激光焊接；數(shù)值模擬；小孔；焊接熔池：溫度場(chǎng)；速度矢量；保護(hù)氣體Ⅱ(續(xù))X(續(xù))xI(續(xù))第1章緒論1．1課題意義以“小孔”效應(yīng)為焊縫成形基礎(chǔ)的激光深熔焊接，與傳統(tǒng)的弧焊方法相比以能量密度高、線能量輸入小、焊縫深寬比高、熱影響區(qū)小、變形小、生產(chǎn)效率高及控制靈活等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注。特別是二十世紀(jì)八十年代以后，激光焊接技術(shù)呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢(shì)。在世界高科技市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，日本、歐共體、美國(guó)等以其雄厚的財(cái)力，支持開(kāi)展激光焊接技術(shù)的研究工作，相繼建立了各自的研究開(kāi)發(fā)中心。激光焊接技術(shù)在航空航天及國(guó)防工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在激光焊接方面，美國(guó)愛(ài)荷華

7、州立大學(xué)己完成了激光焊接飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)接段klA754高溫合金的研究工作叫，德國(guó)諾丁漢飛機(jī)公司和法國(guó)空中客車(chē)公司分別采用激光焊接A318飛機(jī)機(jī)身下部后壁板和后壁扳嘣，歐淵宇航集團(tuán)已經(jīng)完成了激光焊接EF--2000飛機(jī)鋁合金進(jìn)氣道的最后研究工作‰”，英國(guó)的焊接研究所采用激光深熔焊成功地焊接了飛機(jī)的中央翼下壁板模擬件豫帕，日本三菱重工也將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)楓零部件的連接，北京航空制造工程研究所也正在承擔(dān)某型號(hào)飛機(jī)的中央翼下壁板的鈦合金長(zhǎng)焊縫的激光對(duì)接焊技術(shù)研究。相信不久的將來(lái)，激光深熔焊接技術(shù)一定會(huì)在我國(guó)航空航天和國(guó)防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

8、，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是在焊接過(guò)程中，由于工藝參數(shù)多及結(jié)構(gòu)條件復(fù)雜等原因，常出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題，特別是在焊接大厚度截面結(jié)構(gòu)以及大尺寸、長(zhǎng)焊縫壁板過(guò)程中，容易造成焊接成形不好或存在嚴(yán)重的焊接缺陷，影響焊