激光+GMAW复合热源焊熔池流体流动的数值分析

考虑熔滴和小孔对熔池的影响,建立了基于FLUENT软件的激光+熔化极电弧(GMAW)复合热源焊三维瞬态熔池流体流动数值分析模型.利用双椭球体热源描述电弧热输入,将激光热输入视为热流峰值可调节的双曲线旋转体热源,其热源分布参数通过简化的小孔形状尺寸模型确定;将熔滴过渡过程视为从熔池上部特定区域流入熔池高温液态金属的过程,并通过建立液态金属流速对时间的周期函数表征熔滴过渡频率;将小孔视为由激光致蒸汽反作用力引起的熔池表面变形,以简化计算过程,重点考虑小孔的存在对熔池流体流态的主要影响.利用所建模型对不同焊接条件下的激光+GMAW复合热源焊小孔形态、熔池流体流动和温度场进行模拟计算,分析了激光+GMAW复合热源焊流场特征,探讨了激光功率对复合焊熔池动态行为的影响规律.结果表明,在1 m/min焊速条件下,GMAW焊(激光功率为0 W)出现驼峰缺陷;当激光功率为500 W时,驼峰缺陷消失,但熔池中无小孔产生,且流体流动模式与GMAW焊相近;而当激光功率增至2000 W,熔池中出现小孔,使得流体流动模式更为复杂.将焊缝横断面形状尺寸的计算结果与实验结果进行比较,2者吻合较好,从而证明了模型的准确性和适用性.     

基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用的熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)熔池动态行为数值分析模型,该模型考虑了气—液—固三相耦合. 将电弧热输入视为双椭球体热源模型,将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气,其流速呈高斯分布,流速峰值依据焊接电流确定,电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流入熔池过程,通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率. 利用该模型对不同条件下GMAW焊熔池热场及流场进行模拟计算,并分析其流体动力学特征. 结果表明,模型能够合理地反映熔池动力学特征,同时还提高了计算效率.     

激光穿透焊温度场及流动场的数值模拟

建立了复合热源作用下的激光穿透焊接熔池流动三维计算模型,热源由作用在激光表面的高斯热源以及沿激光入射方向的柱状热源组成,分别考虑了等离子体和小孔吸收机制。通过添加源项的办法解决了过渡区相变问题,从而将固态区和液态区组合一起求解,简化了固液边界条件的处理难度。通过TC1钛合金激光焊接试验验证了模型的正确性,计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好。结果表明,Marangoni对流是形成激光穿透焊“沙漏”状熔池形貌的主要原因。     

磁场和活性焊联合作用对焊接熔池形态的影响

为了研究磁场和活性焊联合作用对焊接熔池中液态金属流动形态的影响,文中建立了移动热源作用下镁合金TIG焊三维瞬态数学模型. 利用fluent软件及其二次开发功能,模拟了单独磁场、单独活性焊和两者联合作用对焊接熔池温度场和速度场的影响. 模拟结果表明,在单独磁场作用下,熔池中液态金属呈顺时针定向旋转运动,速度场呈不对称双峰分布,最大速度偏向熔池一侧;在单独活性焊作用下,熔池中液态金属形成由外向内的对流模式,从而冲刷熔池底部增加熔深;在两者联合作用下流体流动较为复杂,熔池表面附近液态金属流动主要受表面张力的影响,熔池内部主要受外加电磁力的影响.     

基于小孔形状的TCS不锈钢激光+GMAW-P复合焊热场模型

为合理描述激光能量在小孔内的分布特征,采用光线追踪法处理光线在小孔内的多次反射和孔壁的Fresnel吸收,对线热源小孔模型做出了改进.根据小孔形状尺寸的计算结果,确定激光焊体积热源的分布参数.将标定后的激光焊体积热源分布参数应用于激光+熔化极脉冲电弧(激光+GMAW-P)复合焊的组合式体积热源模型,对TCS不锈钢复合焊准稳态温度场进行了数值分析.开展了TCS不锈钢复合焊工艺实验,将复合焊焊缝形状尺寸的模拟结果与实测结果进行了对比,验证了所建立的复合焊热场模型.基于小孔形状的复合焊热场模型能较好地模拟TCS不锈钢复合焊温度分布与焊缝成形.利用该模型计算了不同工艺条件下TCS不锈钢焊接HAZ形状尺寸以及HAZ内不同位置处的热循环曲线,分析了TCS不锈钢复合焊的热循环特征,为接头组织与性能的预测分析奠定了基础.     

激光穿孔点焊接瞬态过程数值分析

考虑工件表面等离子体作用，建立了小孔和熔池传热与传质耦合的穿孔点焊数值分析模型. 采用随小孔形状变化的自适应热源模型，热源形态依小孔形状变化而实时改变. 模型考虑了蒸发现象所引起的质量转换和能量损失，利用焓–孔介质法处理焊接过程动量损耗. 主要考虑液态金属蒸发所带来的反冲压力、表面张力和液体静压力并通过流体体积方程计算小孔壁面. 结果表明，小孔形成直至穿孔过程都可能产生向上和向下的飞溅、焊瘤和余高. 激光的瑞利散射、工件表面等离子体的热效应，激光束反射和等离子体膨胀作用，使得工件上/下的焊缝宽度比中间略大. 模拟计算值与试验结果比较，二者在形状和尺寸基本吻合.     

激光+GMAW复合热源焊接过程热-力耦合数值分析

从宏观的焊接热过程出发,根据激光+GMAW复合热源焊接的特点,提出了适用于复合热源焊接的“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式体积热源分布模式;建立了激光+GMAW复合热源焊接过程的有限元模型,数值计算了焊接温度场和焊缝横截面的形状尺寸,计算结果与试验结果吻合良好,证明了组合式体积热源模型的合理性和适用性. 采用焊接温度场的计算结果,进一步对复合热源焊接和GMAW的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和对比分析. 结果表明,在焊缝熔深基本相同的情况下,复合热源焊接的焊接热输入、焊缝熔宽、焊接变形和高应力区域范围等均比GMAW小. 研究结果印证了激光+GMAW复合热源焊接工艺的优越性,并为焊接工艺参数的优化提供了基础理论数据.     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

钛合金激光立焊烧穿和气孔缺陷及其数值模拟

采用在平焊优化过的激光焊接参数对钛合金进行立焊,立向上焊时烧穿倾向较大,气孔倾向较小;立向下焊时烧穿倾向较小,气孔倾向较大. 基于体积分数法(VOF)建立了追踪小孔界面的数值计算模型模拟小孔和熔池流动行为,分析了焊接位置对激光立焊烧穿和气孔倾向的影响机制. 结果表明,立向上焊时焊接方向与重力相反,小孔所受静水压力较小,小孔易于长大,小孔空腔所需的液态金属得不到有效补充,烧穿倾向增加. 立向下焊时焊接方向与重力一致,小孔振荡导致崩塌卷气,所生成的气泡缺乏逸出通道,气孔倾向增加.     

铝合金T型接头激光+GMAW复合热源焊温度场的有限元分析

从宏观传热学出发,综合考虑焊缝横断面形状特点及接头形式对焊接热流的影响,建立了适用的T型接头激光+GMAW复合热源焊的组合式热源模型.利用双椭球体热源模型描述电弧热流和熔滴热焓,采用热流峰值指数递增-锥体热源模型表征激光热输入,并通过坐标系转换的方法旋转热源模型,以考虑焊枪倾斜对焊接热流分布的影响,推导出适用于T型接头复合焊的热源模型表达公式,从而简化了T型接头焊接数值模拟中的模型加载过程.将所建立的模型用于不同焊接条件下铝合金T型接头激光+GMAW单侧双面焊接焊缝形状和尺寸的模拟计算,计算结果与实验结果吻合较好,从而证明了模型的准确性和适用性;利用该模型计算了铝合金T型接头复合焊近缝区不同位置的热循环曲线,分析了铝合金T型接头复合焊热循环特征,为其组织和性能的预测奠定了基础.     

激光焊接瞬态小孔与运动熔池行为模拟

提出了一种三维瞬态小孔与瞬态熔池相结合的激光小孔焊接耦合数学模型.该模型综合考虑了多重反射菲尼尔吸收、小孔界面上的间断边界条件、金属蒸气/等离子体的辐射传热、Marangoni力、固-液相间的摩擦力、浮力、粘性力、蒸发潜热、熔化/凝固潜热,以及热传导、对流、辐射等多种因素对激光小孔焊接过程的耦合作用.采用水平集方法和快速扫描方法对小孔演化方程进行求解,得到了三维瞬态小孔形貌;并采用SOLA方法求解了瞬态熔池的三维传热和流动过程.结果表明,该模型能够较好地模拟激光小孔焊接中瞬态小孔和熔池的动态演化行为.     

Mathematical analysis of the role of recoil pressure in weld pool dynamics during laser-MIG hybrid welding

A mathematical model was established to simulate the weld pool development and dynamic process in stationary laser-MIG hybrid welding. Surface tension and buoyancy were considered to calculate liquid metal flow patter, moreover, typical phenomena of MIG welding, such as filler droplets impinging weld pool, electromagnetic force in the weld pool, and typical phenomena of laser beam welding, such as recoil pressure, Inverse Bremsstrahlung absorption, Fresnel absorption were all considered in the model. The laser beam and arc couple effect were introduced into this model by the plasma width during hybrid welding. The role of recoil pressure in the weld formation was discussed. Transient weld pool shape and complicated liquid metal velocity distribution from two kinds weld pool to an unified weld pool were calculated. The simulated weld bead geometry with consideration recoil pressure was in good agreement with experimental measurement.     

背反射增效激光焊接熔池匙孔相变及流场分析

建立了背反射增效激光焊焊接熔池流动中气相区、液相区和固相区的统一模型,在模型中考虑了等离子体/蒸气云和小孔吸收机制,综合了表面张力、热浮力和重力的作用. 基于数值计算得到了熔池的三相匙孔相变以及流场,重点分析了表面张力对熔池流动和传热的影响. 此外,通过钛合金薄板的背反射增效激光焊接试验对模型进行了验证. 结果表明,匙孔引发等离子体/蒸气云与背面垫板诱发羽辉的耦合作用,是X形焊缝熔池形貌形成的主要原因;同时,表面张力是形成背反射增效激光焊接熔池内“椭圆回流环”的主要驱动力.     

轻金属材料激光+GMAW复合热源焊接机理的研究进展

激光+GMAW复合热源焊接是近几年在国际上得到迅速发展和应用的焊接前沿新技术,是轻金属材料优质高效连接的最佳熔焊工艺.但对其内在的物理特征及其基础理论和关键技术问题还缺乏深入的研究.文中分析了激光+GMAW复合热源焊接在国内外的研究现状,并在此基础上根据作者已进行的研究,提出了当前应当重点深入研究的几个关键科学和技术问题,如激光与电弧的能量耦合机制、激光对弧焊熔滴过渡的作用机制、复合热源焊接熔池内的传热与传质、复合热源焊接冶金、焊接接头的应力-应变场与变形控制规律等.最后指出数值模拟是轻金属材料复合热源焊接基础研究的重要手段.     

焊丝熔化方式对激光焊接过程的影响

研究了两种焊丝熔化方法(电弧预熔丝激光焊、激光填丝焊)激光焊接过程对匙孔稳定性以及焊缝成形的影响,进一步研究了焊丝熔化方法对焊接接头质量的影响,并对比分析了两种焊丝熔化方式对焊接速度的适应性. 结果表明,电弧预熔丝激光焊过程中,熔池表面匙孔开口尺寸变化不大,匙孔较为稳定;激光填丝焊方法由于熔化的液态金属距离匙孔边缘很近,焊接过程中熔池表面匙孔开口尺寸变化较大,而且容易出现熔池表面匙孔的闭合. 与激光填丝焊相比,电弧预熔丝激光焊熔化的焊丝端部可以沿熔池边缘流入,与匙孔边缘的距离较远,匙孔稳定性较好,焊缝气孔数量较少. 当焊接速度为8 m/min时,电弧预熔丝激光焊的焊缝成形良好;而激光填丝焊焊缝背面成形不连续,并且出现了未焊透的缺陷.     

基于ANSYS的GMAW温度场计算

根据传热学、流体力学、物理冶金等理论，建立了运动电弧下熔化极气体保护焊(GMAW)的三维非稳态熔池的数学模型。在数学模型的基础上建立了GMAW堆焊的有限元模型，并使用通用有限元软件ANSYS对熔池温度场进行了计算，在计算的过程对有限元模型进行了非均匀网格划分，加入了熔滴对熔池的能量和表面变形的影响，采用了双高斯热源叠加的双峰热源分布模型，应用有限元生死单元的处理方法。并通过不同工艺参数下的工艺试验的熔宽和熔深的测量值与ANSYS计算值进行了比较，熔池的熔宽和熔深的误差均控制在8％以内。结果表明，使用ANSYS和使用双峰分布的热流来计算GMAW温度场均是可靠和可行的。     

Simulation on the Melt Flow in Laser Full Penetration Welding with a Model Including a Non-Rotational Symme-try Keyhole Based on Energy Balance

A three dimensional model including a non-rotational symmetry keyhole of which the geometry is calculated base on the energy balance at keyhole wall is created to simulate the heat transfer and fluid flow within the molten pool during laser full penetration welding of titanium alloy plate.In order to take into account the effects of multiple reflections within the keyhole,a ray tracing method is employed and the coordinate dependent heat flux obtained is exerted on keyhole wall during the simulation on the heat transfer and fluid flow within molten pool.Furthermore,the computed weld cross sectional profile is compared with the experimental result to verify the model and it is fond that the simulation result is consists with experimental result.     

功率分布对5A06铝合金激光摆动焊接熔池动态行为的影响

以5A06铝合金锁底对接焊缝为研究对象,在激光束摆动的基础上引入一种沿正弦摆动路径分布的激光功率(功率分布),实现功率相对于摆动路径的动态调控.基于FLUENT有限元软件,建立激光摆动焊接过程的流体动力学模型,研究光斑摆动与功率分布对焊缝成形的影响机制,模拟对比了施加等功率与功率分布2种工艺下的焊缝截面形貌、熔池动态行为及气孔形成过程.结果表明,与等功率焊接相比,施加功率分布焊缝成形更优,未出现咬边和烧穿等缺陷;由于功率分布的特点,有效缓和了熔池的平均流速,熔融金属呈现更为稳定的流动行为,进一步提高了匙孔的稳定性,并获得了深宽比较小的匙孔,有效降低了焊缝的孔隙率(0.9%).