激光+GMAW-P復(fù)合熱源焊焊縫成形的數(shù)值模擬.pdf

1、激光+脈沖GMAW(pulsed gas metal arc welding，GMAW-P)復(fù)合熱源焊作為一種新型的優(yōu)質(zhì)、高效焊接技術(shù)，綜合了激光焊與GMAW-P工藝的雙重優(yōu)點(diǎn)，并具有“1+1＞2”的協(xié)同效應(yīng)，工業(yè)應(yīng)用潛力巨大。但目前對(duì)該項(xiàng)新技術(shù)的研究主要集中于工藝方面，即通過試驗(yàn)的方法優(yōu)化工藝參數(shù)，而對(duì)其過程物理機(jī)制方面的研究極少。由于相對(duì)于單種焊接工藝，復(fù)合焊工藝參數(shù)較多，其物理過程也更加復(fù)雜，僅依靠試驗(yàn)優(yōu)化工藝將需要花費(fèi)較高的人力

2、物力，不利于復(fù)合焊的推廣應(yīng)用。本文利用數(shù)值模擬技術(shù)，通過建立適用的熱源模型對(duì)激光+GMAW-P復(fù)合熱源焊的焊縫成形和熱場(chǎng)特征進(jìn)行研究，從而為復(fù)合焊物理機(jī)制研究及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 根據(jù)激光深熔焊焊縫形狀特征，分析了激光深熔焊熱源作用的特點(diǎn)，將小孔效應(yīng)體現(xiàn)在熱流密度沿焊件厚度方向的分布上，建立了四種適用的、恰當(dāng)?shù)募す夂感D(zhuǎn)體積熱源模型，即熱流峰值指數(shù)遞增-錐體熱源模型

3、、熱流峰值線性遞增-對(duì)數(shù)曲線旋轉(zhuǎn)體熱源模型、熱流峰值線性遞增-拋物線旋轉(zhuǎn)體熱源模型和熱流峰值雙曲線遞增-雙曲線旋轉(zhuǎn)體熱源模型。在此基礎(chǔ)上，從宏觀的傳熱過程出發(fā)，對(duì)復(fù)合焊中來自電弧、過熱熔滴和激光束的熱輸入分別進(jìn)行描述，提出了四種復(fù)合焊組合式體積熱源模型。組合式熱源模型分別將電弧熱輸入、熔滴熱焓和激光熱能描述為雙橢圓熱源、熱流平均分布的雙橢球體熱源和上述四種熱流峰值遞增-旋轉(zhuǎn)體熱源，并將三部分熱能集成，構(gòu)成適用的復(fù)合焊組合式體積熱源模型。

4、
　　 利用建立的組合式體積熱源，對(duì)不同工藝條件下復(fù)合焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，并計(jì)算出復(fù)合焊焊縫形狀和尺寸。計(jì)算過程中，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)熱源分布參數(shù)以間接反映激光-電弧相互作用對(duì)熱流分布的影響。結(jié)果表明，焊縫形狀尺寸的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，但熔合線的局部走向仍有一定誤差。針對(duì)此問題，對(duì)建立的四種復(fù)合焊組合式體積熱源進(jìn)行了如下改進(jìn)：根據(jù)脈沖電弧的熱作用特點(diǎn)，將復(fù)合焊中的脈沖電弧熱能視為兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于峰值與基值電流電弧

5、的分布參數(shù)不同的雙橢圓熱源，并通過適當(dāng)減小焊件上表面電弧作用區(qū)域沿厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)以間接反映電弧間歇性作用的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)熔滴熱源和激光熱源的作用區(qū)域也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。利用改進(jìn)后的組合式體積熱源模型，對(duì)復(fù)合焊的焊縫形狀尺寸重新進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算精度大為提高，焊縫形狀尺寸與熔合線走向都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　 應(yīng)用已建立的復(fù)合熱源焊的組合式體積熱源模型，對(duì)激光+GMAW-P復(fù)合熱源焊的熱場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，定量研究不同電弧功率對(duì)

6、激光+GMAW-P復(fù)合熱源焊熱影響區(qū)寬度和熱循環(huán)參數(shù)等熱場(chǎng)特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，并與純激光焊、單GMAW-P的情況進(jìn)行了比較，為從冶金上揭示復(fù)合熱源焊的特點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。
　　 為更合理地選定熱源分布參數(shù)，將光線追蹤法與線熱源小孔模型相結(jié)合，較詳細(xì)和準(zhǔn)確地描述了激光束在非對(duì)稱小孔內(nèi)的多次反射過程以及孔壁對(duì)光能的Fresnel吸收，研發(fā)出新的小孔形狀尺寸算法。將小孔尺寸與激光焊體積熱源分布區(qū)域相聯(lián)系，提出了基于小孔模型的激光焊體積