激光深熔焊過程的流體動力學(xué)研究

《激光深熔焊過程的流體動力學(xué)研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

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的準(zhǔn)確信息。傳熱和流體流動計算側(cè)重于預(yù)測焊接熔池中及其附近液體金屬的對流和溫度場。為了提高焊縫和焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，了解焊接的對流和溫度場，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)，建立了溫度場和流動場的綜合數(shù)學(xué)模型，并且通過比較計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性。建立的三維數(shù)學(xué)模型，能夠模擬激光深熔焊過程中的傳熱和流體流動。研究內(nèi)容包括：(1)激光小孔的形態(tài)及其穩(wěn)定性；(2)激光焊接熔池流動速度分布；(3)輔助氣流參數(shù)對熔池的保護區(qū)的影響。首先，建立激光深熔焊的熱源模型。它是由旋轉(zhuǎn)高斯體熱源和雙橢球型體熱源組成的體熱

2、源組成的。前者與激光滌熔焊小孔的上半部分相對應(yīng)，后者對應(yīng)小孔的下半部分。其次，建立了三維數(shù)值模型，研究激光深熔焊過程中的傳熱和流體流動。在計算焊接熔池的對流過程中，考慮了表面張力和浮力的影響，通過用戶自定義函數(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。對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FLUENT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速

3、度分布。新建立的熱源模型反映了激光深熔焊接時小孔傳熱的本質(zhì)特征。采用此組合熱源，對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，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)，熔池流動速度最大。試驗焊縫形狀、尺寸和計算得到的焊縫情況較為吻合，說明本文建立的組合體熱源模型是合適的。

4、最后，使用數(shù)值模擬的方法，模擬了輔助氣流、小孔噴發(fā)氣流及周圍大氣交互作用下的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布和組分氣流流動速度場。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，氣流流量分別為10L／min、12．5L／rain、15L／min、17．5L／min和20L／min情況下保護區(qū)的尺寸和流場。研究表明，在激光深熔焊接條件下，輔助氣流流量和噴嘴角度，以及保護氣體種類是影響保護區(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

5、的條件下，采用氦氣時的特征保護區(qū)尺寸總是大于采用氬氣時的情況。隨著輔助氣流流量的增加，特征保護區(qū)的尺寸是增加的。在輔助氣流流量不變的前提下，側(cè)吹角度較大時所對應(yīng)的特征保護區(qū)尺寸較小，而側(cè)吹角度較小時多對應(yīng)的特征保護區(qū)的尺寸較大。來自小孔的氣流對組分氣流的流動產(chǎn)生強烈的擾動，小孔附近的流動方向發(fā)生明顯的改變。關(guān)鍵詞：激光焊接；數(shù)值模擬；小孔；焊接熔池：溫度場；速度矢量；保護氣體ⅡABSTRACTTlaeobjectiveofthisDi髂廿衄ti∞istostudyfullypCllCll'砒ionlaserweldingprocessesandgetaccurateknowledgeoftla

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

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