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激光深熔焊接瞬态小孔和运动熔池行为及相关机理研究

庞盛永  
【摘要】:以激光为主要热源的自熔性激光深熔焊、激光填丝焊接等深熔焊接技术具有能量密度高、焊后残余应力低、焊接精度高,焊接接头质量高等优点,可广泛应用在航空航天、装备制造、高速铁路、大型舰船等国民经济领域的焊接制造中。然而,激光深熔焊接过程物理现象非常复杂,目前学术界对于这些过程中的关键基础问题,如小孔不稳定行为、熔池内部的流动机理以及焊丝成分在熔池内部的动态稀释行为等的理解尚不十分清楚,严重制约了这些工艺在焊接制造领域中的进一步应用。围绕上述关键基础问题,在国家973项目的资助下,本文对激光深熔焊接过程瞬态小孔和运动熔池耦合行为,激光填丝焊接过程中焊丝、小孔、熔池之间的动态交互机理,以及焊丝成分在运动熔池内的动态稀释规律进行了理论和实验研究。所取得的创新工作和结果如下: (1)建立了描述瞬态小孔和运动熔池耦合行为的激光深熔焊接三维间断耦合模型,系统地推导出了相应的间断边界条件,研制了相应的三维数值求解程序。首次通过数值模拟获得了与学术界普遍认同的X-射线实验结果吻合良好的瞬态小孔行为和熔池内部流动趋势。 (2)基于所建立的间断耦合模型,首次研究了不同物理因素(反冲压力、表面张力、热毛细力和多重反射菲涅耳吸收)、热物性参数(运动粘度、导热率)以及焊接工艺(激光功率、焊接速度、光斑半径)对激光深熔焊接过程瞬态小孔的深度振荡和熔池流动耦合行为的影响。研究发现小孔的不稳定与小孔壁面的凸台行为密切相关,而凸台产生的根本原因是小孔壁面的受力不平衡。 (3)首次建立了描述激光填丝焊接过程中焊丝、小孔和熔池之间瞬态耦合行为的三维数学模型,通过理论和实验研究了焊丝在小孔前面,且焊丝分别以熔滴自由过渡和连续过渡方式进入熔池时的填丝焊接瞬态行为。研究发现熔池的最大速度波动可用来描述熔池的稳定性,深化了熔池稳定性的物理意义。 (4)首次建立了激光深熔焊接运动熔池动态稀释过程的数学模型,并对焊丝成分在熔池内部的稀释行为进行了理论和实验研究,获得了与实验结果吻合良好的增材合金元素在熔池动态稀释中的三维浓度场。该模型的提出为进一步建立全新的焊接熔池多相连续冶金反应动力学理论,准确预测增材焊接熔池凝固瞬间微区元素定量分布提供了可能。 通过上述研究,建立了较为系统的激光深熔焊接过程数值模拟的基础框架。上述工作一方面可为指导激光深熔焊接工艺提供科学依据,另一方面也可为其他高能束流焊接过程如电子束流焊、等离子弧焊和激光-电弧复合焊等焊接过程的理论模型建立和数值模拟方法实现提供参考。


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