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《鈦合金激光焊接及其熔池流動場數值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、華中科技大學博士學位論文摘要欽合余由于密度小，比強度高，耐蝕性好等特點，廣泛用于航空航天領域。激光焊接由于具有能量集中，焊縫成形好，操作簡單等優(yōu)勢，正在成為欽合金焊接的重要手段。常規(guī)熔焊方法形成的焊接接頭晶粒粗大，機械性能較差，焊接組織還需進行焊后熱處理，降低了焊接效率。研究欽合金激光焊接技術，有利于提高導彈殼體材料焊接接頭綜合性能，在急需提高國防實力的今天，意義特別重大。欽合金在高溫下強烈吸收氮、氫、氧等氣體，吸收這些氣體嚴重影響焊接接頭質量;其次欽合金焊接過程中會產生強烈的光致等離子體，如果等離子體不能很好地控制，就會對激光造成屏蔽，影響激光焊接的穩(wěn)定
2、性，對比欽合金與低碳鋼焊接時的等離子體光信號強度，可以發(fā)現欽合金激光焊接等離子體光信號強度明顯高于低碳鋼激光焊接等離子體光信號強度。為了解決這些問題，設計專用同軸噴嘴用于欽介余激光焊接。問軸噴嘴設計的關鍵問題在于如何獲得穩(wěn)定均勻的同軸氣流，使氣流在控制等離子體的同時，又能為欽合金高溫熔池提供保護。系統(tǒng)地分析了側吹氣流控制等離子體的缺點，提出了在欽合金激光焊接過程中采用同軸氣流控制等離子體的方案。為了獲得穩(wěn)定的流場，首次對激光焊接同軸噴嘴內部流場進行了有限元分析，分別比較了不同內腔直徑、圓柱狀與“漏斗”狀內腔、有無收斂噴管、不同出口直徑以及不同進氣流量對氣體
3、出口流速影響。結果表明，當進氣流量和出口直徑相同時，帶收斂噴管的“漏斗”狀結構可獲得最大的軸向流速和最小的湍流脈動，從而可以有效地減小保護氣的無謂消耗。噴嘴氣流試驗表明:設計的同軸噴嘴能成功地抑制等離子體:拖罩流量為1.Om3/h，同軸氣流量范圍為0.25-1.25m加時，可以獲得銀白色的焊縫;最佳同軸進氣流量為0.5m場;當同軸氣流量超過1.5m3/h時，焊縫金屬軒微氧化，超過1.75m3/h時，焊縫金屬明顯氧化，對應的湍流脈動動能明顯增加，表明噴嘴氣流紊亂是導致焊縫金屬氧化的重要原因。采用設計的同軸噴嘴進行激光焊接試驗，研究了焦點位置變化對焊接過程的影
4、響。BT20及TCl合金激光焊接接頭焊縫組織均為馬氏體組織，晶內為片狀a'相;接頭I"l申強度和顯微硬度超過母材，塑性稍低于母材。同氨弧焊相比，激光焊接有華中科技大學博士學位論文明顯的優(yōu)勢，深寬比為氫弧焊的6-7倍，焊接速度可以達到氨弧焊的5^10倍。試驗過程中還確定了激光焊接頭拼縫間隙的寬容度，完成了卷制欽合金圓筒的焊接。氣孔是欽合金焊接的常見問題，尤其是宏觀氣孔的存在，不僅削弱焊縫的有效工件斷面，同時也會帶來應力集中，有必要搞清楚氣孔形成的機理。鎖底對接接頭焊接以及自熔焊接試驗表明，欽合金未穿透激光焊接過程中會形成宏觀氣孔，酸洗與否對宏觀氣孔的形成沒有
5、明顯的影響。根據氣孔的分布位置和尺寸大小，提出將欽合金激光焊接氣孔分類為I型氣孔和n型氣孔。基于試驗研究和熔池流動模擬計算結果，建立了兩類氣孔各自的形成模型。與局部高溫造成金屬蒸汽定向噴射的模型不同，認為未穿透焊接過程中I型氣孔形成的機理是由于保護氣體進入小孔，破壞了小孔后壁的壓力平衡，形成小孔后壁液體金屬波動凹坑，隨著工件的運動，凹坑朝向小孔的開口失穩(wěn)閉合形成“空腔”:小孔底部隨著熔深的波動突變也很容易閉合形成“空腔”;由于受熔池金屬中雙對流環(huán)的影響，當“空腔”在熔池上部形成時，“空腔”會沿熔池中心迅速流動到焊縫的上表面逸出，而在熔池下部形成的“空腔”，
6、只能夠在熔池下部流動，且熔池未穿透，“空腔”不可能向下逸出，隨著熔池金屬的凝固而形成氣孔。n型氣孔的形成機理是氫在凝固過程中由于溶解度突然下降，氫析出后來不及逸出而殘留在焊縫內部形成氣孔。首次建立了復合熱源作用下的激光穿透焊接熔池流動三維準穩(wěn)態(tài)計算模型，熱源由作用在激光表面的高斯熱源以及沿激光入射方向的柱狀熱源組成，分別考慮了等離子體和小孔吸收機制。計算過程中，將帶松弛因子的動量插值算法引入SIMPLE算法，從而成功地采用非交錯網格對模型離散求解，解決了計算過程中壓力和速度波動問題，保證計算結果與松弛因子無關;通過添加源項的辦法解決了過渡區(qū)相變問題，從而將
7、固態(tài)區(qū)和液態(tài)區(qū)組合一起求解，簡化了固液邊界條件的處理難度。通過TC1欽合金激光焊接試驗驗證了模型的正確性，計算所得的熔池截面與試驗結果吻合良好，結果表明，Marangoni對一流是形成激光‘穿透焊“沙漏”狀熔池形貌的主要原因。關鍵詞:激光焊接，欽合金，同軸噴嘴，氣孔，數值模擬，熔池流場................，.網...叫..，...，..e口華中科技大學博士學位論文ABSTRACTWiththeadvantagesoflowdensity,highstrength-to-weightratioandsuperiorcorrosionresista
8、nce,titaniumalloyshavebeenapplied
