激光深熔焊细长小孔数值模拟与试验研究

为了准确模拟焊接过程中小孔的瞬态形成过程,采用水平集法追踪小孔气/液界面,运用混合理论处理固/液相变,建立了气、液、固三相耦合模型。该模型综合考虑了表面张力、浮力、反冲压力、固/液间摩擦力、潜热、对流以及辐射等影响因素,数值计算得到小孔演变的动态过程和孔内外金属蒸汽行为。模拟发现,小孔形貌瞬态变化,前后壁凹凸变形,逐渐趋于稳定,孔径约为1mm;金属蒸汽与小孔相互影响,最大蒸汽速率为5.3m/s。采用改进的"三明治"方法进行激光焊接实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。结果表明,水平集法追踪小孔自由界面在激光深熔焊模拟中具有良好的适用性。这为小孔的研究提供了理论依据。     

激光深熔焊接过程中的光致等离子体行为特征模拟

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。     

激光深熔焊接薄板不同传热模型对比研究

将激光深熔焊接薄板传热过程简化为三个不同数学模型并结合实时检测温度变化及焊缝形状进行对比研究. 激光深熔焊接薄板时,可将激光传热简化为线热源模型;若考虑等离子体的作用激光传热可简化为点热源加线热源模型.实际焊接时,激光能量沿厚度方向逐渐衰减.因此,在前两种模型的基础上,考虑激光能量的衰减,可将激光热源等效为点热源加逐渐衰减的线热源模型,并为此提出了分层求解技术,编制软件可绘制工件上任一点热循环曲线及任一时刻的温度场.计算结果与实际检测的结果表明:点热源加能量逐渐衰减的线热源模型与实际检测结果有较好的近似性.激光焊接具有比普通焊接方法快得多的加热和冷却速度,实际测得:P=2400 W,V=0.8 m/min,在工件背面距焊缝中心0.8 mm处,最高温度Tm为1060℃, t8/5为1.2 s.(OE29)     

大功率激光作用下小孔形成数值模拟

激光深熔焊以小孔效应为特征,小孔使得激光束流与被焊接材料之间的耦合效率大大提高。小孔内的逆轫致吸收使得激光能量逐步衰减。另一方面,小孔内等离子体向熔池传热,起到焊接内热源的作用。因此,利用建立组合体热源模型,选择旋转高斯热源和双椭球形体热源模拟激光能量的分布,结合SIMPLE算法,求解不可压缩流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,得到了大Péclet数下的小孔形态。模拟结果显示,控制容积法中的体热源传热方式不同于有限元法的表面热流密度分布方式。最后,将模拟结果和钛合金激光焊接的焊缝形状和尺寸进行了对比,说明所选择的体热源模型在激光深熔焊模拟中具有较好的适应性。     

激光深熔焊接过程中小孔行为的研究进展

从试验研究和数值模拟研究两个方面介绍了激光深熔焊接过程中小孔行为的国内外研究现状。x射线透射成像和高速摄影相结合的方法迄今为止仍然是研究激光深熔焊接过程中小孔行为最有效的方法。多激光束焊接、复合激光焊以及辅助气流等方法被用于改善激光焊接过程中小孔的稳定性。目前具有代表性的动态小孔模型有三类,分别是认为激光焊小孔形成机理与激光打孔相同的动态小孔模型,基于流体体积法（VOF）的动态小孔模型和基于等值面法（Level Set的动态小孔模型。对三类模型进行了比较分析,并指出基于高精度运动界面追踪方法来追踪汽／液界面的动态小孔模型将是今后发展的趋势。     

基于相界面随动热源模型的激光穿孔过程动态模拟

激光穿孔是现代工业生产中重要的加工手段。明晰激光穿孔过程中激光热源、辅助气体与被加工物间的作用机理及被加工物的多相流变化过程,对指导实际生产工作至关重要。本文提出一种相界面随动热源模型,旨在动态模拟3 mm钢板的激光穿孔过程,揭示其穿孔加工机理。首先,融合相变界面随动热源模型与辅助气体模型建立激光穿孔模型,规划计算流程,对激光穿孔过程进行多场耦合多相流动态模拟;其次,分别对穿孔相变的温度场及流场结果进行分析,明晰穿孔过程中金属的相变过程、熔池的温度变化过程,金属液相随辅助气体的流动过程。分析结果表明,采用相变界面随动热源模型的仿真结果可有效模拟激光穿孔加工的动态过程,揭示其作用机理。     

激光深熔焊熔池三维瞬态行为数值模拟

考虑熔池蒸气反冲压力、表面张力、热浮力等力学因素和熔池内、外部的对流、辐射等热学过程,采用沿深度方向衰减的旋转高斯体热源简化熔池对激光的吸收,采用流体体积法追踪气/液界面,采用液相体积分数法和焓-孔隙度法分别处理熔化凝固潜热及液-固糊状区的动量损失,建立了激光深熔焊接熔池的三维瞬态模型。运用该数学模型获得了不锈钢激光深熔焊接过程中熔池及小孔温度场和流场的瞬态变化。计算表明,熔池最高温度呈现线性增长、趋于平稳和小幅振荡三个阶段;小孔在焊接过程中呈现前倾和后倾两种姿态,且存在周期性振荡行为。计算得到的熔池形状和焊缝横截面的试验结果基本吻合,小孔振荡行为也从相关文献的实验结果中得到了验证。     

激光深熔焊等离子体电信号振荡特征与焊缝熔深的特征关系

针对激光深熔焊接过程的监控问题,基于小孔内部压力平衡条件分析了小孔振荡和小孔深度的关系。在此基础上基于小孔行为与等离子体行为的耦合性,以及等离子体振荡特征与等离子体电信号波动特征的一致性,利用短时自相关分析方法分析了A304不锈钢和Q235碳钢在激光深熔焊接过程中等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系。结果表明,等离子体电信号振荡周期随焊缝熔深的增加而增大,并且不同焊接材料的等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系不同。最后,在可变热输入连续焊接验证实验中,在焊接过程稳定的条件下,等离子体电信号的短时自相关分析结果与焊缝熔深之间有比较好的对应关系,与所分析的小孔振荡特征方程具有一致性。     

激光深熔焊接小孔效应的传热性研究

激光焊接由于其焊缝深宽比高、热影响区小以及高的焊接速度而在工业上得到越来越广泛的应用。激光深熔焊接的本质特征就是存在着小孔效应。采用高速摄影的方法清晰、完整地观测了激光深熔焊接GG17玻璃时的小孔，实验研究了离焦量、焊接速度对小孔和熔池形状、尺寸的影响。在分层假设的基础上建立了激光深熔焊接小孔效应的传热模型，并根据观测到的小孔形状和尺寸，用有限元法计算了小孔周围的温度场和流场。实验与模拟计算结果表明，小孔前沿的温度梯度比后沿的大；焊接熔池中的最大对流速度达到了焊接速度的10倍左右；小孔形状和尺寸的实验观测为系统研究激光深熔焊接时的小孔效应提供了一种新的方法。     

基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用

为了研究激光深溶焊接过程中匙孔内自由壁面的变化及相应的温度分布,采用光束跟踪法,推导出了符合激光深熔焊接物理过程的热源模型。在建立的气、液、固3相统一的控制方程中使用该热源模型,通过流体容积法追踪匙孔自由液面,得出了匙孔的动态变化过程及相应的温度分布。结果表明,采用光束跟踪法热源模型计算出的熔池轮廓与激光熔焊接实验相符合。     

熔滴填充位置对激光焊接熔池动态行为的影响

借助熔滴作用下的三维瞬态激光焊接热-流耦合有限元模型,对不同的熔滴填充位置下熔滴进入熔池过程的匙孔三维形貌、熔池金属流动特性进行研究。数值模拟计算结果表明,熔滴填充位置对激光焊接过程中匙孔三维形貌及熔池液态金属的流动行为的影响较大。当熔滴填充位置由0.5 mm增大到1.8 mm时,对匙孔三维形貌变化的影响减弱,熔池内部挤压匙孔前壁和后壁驱使匙孔闭合的流动趋势减弱而维持匙孔壁张开的流动趋势增强,匙孔底部液态金属流动速度的波动幅度减弱。     

激光深熔焊接小孔效应的理论和试验研究

本文采用理论和试验相结合的方法系统研究了激光深熔焊接GG17玻璃时的小孔效应。首先采用高速摄影的方法清晰、完整地观测到了激光深熔焊接GG17玻璃时小孔的形状,并通过实验研究了聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度等焊接工艺参数对小孔尺寸和形状的影响。然后,论文根据实验得到的小孔形状,通过曲线拟合的方法得到小孔前后沿孔壁的曲线方程,再按照几何光学原理,分析了激光在小孔孔壁上的多次反射吸收情况,并由此计算出了小孔孔壁通过多次反射吸收的激光功率密度分布情况。最后,建立了一个分层圆柱体面热源传热模型,在综合考虑热传导和熔池对流换热的基础上,计算了小孔周围的温度场和流场,求出了小孔孔壁上的热流密度分布,并与小孔孔壁吸收的激光功率密度进行了比较。     

激光深熔焊过程中保护区特征尺寸的数值模拟

小孔效应和小孔的周期性波动是激光深熔焊过程的重要特点。小孔的波动起伏与小孔内气流压力的不断变化密切相关。这一观点通过分析小孔喷发烟流(Plume)高速摄影图像得到了证实。在测定了小孔喷发烟流的速度后,利用流体力学商用软件FLUENT建立了由保护气体、小孔喷发烟流和空气组成的组分模型,模拟了组分气流的质量分数和流场。实验结果表明,小孔喷发烟流的速度并不是一个恒定值,其数值依气流粒子团和小孔出口位置的不同而不同。在小孔喷出气流速度一定的情况下,研究了侧吹气流的流量和输送角度与影响保护区特征尺寸之间的相互关系,给出了氩气保护区和氦气特征保护区随侧吹气流参数改变的变化规律。从组分气流模拟结果看,焊接区组分以辅助气流为主,但其组分质量分数低于0.9。     

激光-MIG复合热源焊接熔滴过渡力学行为分析

针对激光等离子体和电弧等离子体共同作用下的熔滴过渡，根据气体动力学和静态力学平衡理论，对CO2激光-惰性气体金属弧焊(MIG)复合焊接过程中熔滴的复杂受力状态及其力源的产生与作用原理进行了深入分析。结果表明，一方面由于激光焊接过程中材料剧烈气化时产生的大量金属蒸气射流，对熔滴形成了巨大的反冲作用力，阻碍了熔滴过渡;另一方面，由于激光焊接产生的等离子体改变了原有惰性气体金属弧焊电弧等离子体形成路径，从而改变了原有焊接熔滴中的电流密度分布和流向而形成了一个新的复合电弧收缩力。两者综合作用降低了复合焊接熔滴过渡频率，破坏了焊接稳定性。在此基础上，进一步研究了焊接参数对金属蒸气反作用力、复合电弧收缩力等的影响规律，并采用数值分析的方法推导出了它们的数学描述;定量分析了复合热源作用下熔滴的受力机制，揭示了复合热源焊接过程中熔滴受力状态与焊接稳定性之间的内在关系。     

LNG船用薄板Invar36激光搭接焊工艺参量优化

为了解决殷瓦合金焊接中易出现的焊接缺陷问题,研究了液化天然气(LNG)船用薄板殷瓦合金搭接焊(上下板厚度均为1.5mm)工艺参量.通过设计制造气体保护盒,采用数值仿真分析和正交试验的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了殷瓦合金搭接焊最优工艺参量.结果表明,气孔缺陷在完全保护气下得到有效抑制,殷瓦合金搭接焊的最优工艺参...