铝合金电子束焊接过程中熔池演变的数值模拟

【摘要】：熔池的流动是影响电子束焊接过程的一个重要因素,温度场决定了流体区域的范围,而流体的流动也会影响电子束作用到工件的能量,进而流场也影响温度场的分布。本文通过使用Visual Basic软件对ANSYS实现二次开发,基于能量平衡、力学平衡及流体的流动平衡,对温度场及流场进行耦合计算,设计合理的试验来验证模拟结果的合理性。 在对模型进行分析时,主要考虑到电子束的能量与金属蒸发带走的能量以及实际作用到工件上的能量三者之间的能量平衡;熔池自由表面上受到金属蒸汽反冲压力与表面张力引起的附加压力之间的力学平衡;熔池液态金属流动的动量守恒及质量守恒。本文以热源模型分析为基础,利用ANSYS10.0可以实现后台批处理的特点,使用Visual Basic6.0进行二次开发,通过对ANSYS的调用,实现参数化建模,通过脱离ANSYS平台进行修改焊接参数,并调用ANSYS结果文件,利用二次开发编程实现对固液线及气液线的精确提取,提高模拟的精度。 通过对温度场的模拟结果可以看出,在电子束焊接熔池中液态金属的最高温度可达3000K以上,且升温速度很快,并且最高温度处于匙孔底部,所以该位置的金属蒸发引起的附加压力最大,当达到平衡时其反冲压力大约为104Pa。由流场的模拟结果可得出,在未达到稳定状态前,在熔池最底部液体的流速最大,一般在0.5m/s左右,当要达到准稳态时,在底部的流速反而最小,且此时底部流体速度方向与焊接方向几乎平行,在流体的不同区域存在一些金属蒸汽反冲压力与表面张力引起的附加压力的准平衡点,液态金属在力的作用下向该位置流动,当电子束打到这些点时会使其迅速汽化,向周围喷射,可能产生缺陷。在试验验证中,温度场及流场均能与试验结果吻合。