激光深熔焊接過程的數(shù)值模擬與等離子體控制研究.pdf

1、激光焊接技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于工程中的先進(jìn)連接技術(shù)，隨著激光輸出功率的提高和光束質(zhì)量的不斷改善，激光深熔焊接技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文廣泛調(diào)研了激光深熔焊接的研究動(dòng)態(tài)，概述了激光深熔焊接的熱點(diǎn)問題，對激光深熔焊接過程的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入研究。
　　本文以激光深熔焊接的基本物理與冶金過程為基礎(chǔ)，建立了深熔焊接的三維模型，運(yùn)用FLUENT軟件，結(jié)合激光深熔焊接的特點(diǎn)，將激光束處理為與小孔深度適應(yīng)的動(dòng)態(tài)熱源，采用凝固/熔化模型

2、、氣化/冷凝模型和VOF模型，對激光深熔焊接過程中的相關(guān)熱力學(xué)問題進(jìn)行了研究與分析。采用高速攝像儀和多通道光譜儀對激光焊接時(shí)的等離子體和熔池進(jìn)行了觀測，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，研究分析了激光深熔焊接時(shí)熔池和小孔形成與演變的規(guī)律，及激光功率和焊接速度對小孔形態(tài)的影響。結(jié)果表明：從焊接開始到穩(wěn)定階段，小孔不斷加深，孔內(nèi)溫度逐漸升高，熔池也隨之變大，在穩(wěn)定焊接階段，小孔的尺寸和緊鄰的溫度場變化較小，而熔池逐漸變大，當(dāng)熔池到達(dá)加熱和冷卻速度平衡后，面積不再增

3、加；隨著焊接速度的提高，小孔氣化前沿的傾角逐漸增加，而冷凝前沿的傾角緩慢減?。辉谳斎牍β瘦^高時(shí)，小孔冷凝前沿中下部出現(xiàn)凹陷，上部出現(xiàn)凸峰；凹凸交界處流場方向發(fā)生改變形成上下分離的兩層環(huán)流；凹凸交界流動(dòng)復(fù)雜，容易使小孔塌陷形成氣孔。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并能對實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象給出合理的解釋。
　　結(jié)合實(shí)驗(yàn)對等離子體的熱力學(xué)行為和演變規(guī)律進(jìn)行了研究，以小孔端口等離子體壓力分布的計(jì)算模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，采用空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論設(shè)計(jì)了專用于

4、控制等離子體的激光焊接噴嘴。對設(shè)計(jì)的噴嘴進(jìn)行了模擬分析，并通過紋影儀對其流態(tài)進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：小孔內(nèi)等離子對激光的逆軔致輻射吸收遠(yuǎn)大于小孔壁面的菲涅爾吸收；在激光深熔焊接的初始階段，等離子體的電子溫度和離子溫度偏離較大，并逐漸趨于平衡，溫度梯度也逐漸變小；在穩(wěn)定的焊接過程中等離子體成一定頻率振蕩，上下起伏的振蕩頻率和尺寸大小波動(dòng)的頻率大致相符，其頻率基本和焊縫表面魚鱗紋條紋的生成頻率一致，激光功率的增加對等離子體的溫度影響較??；

5、調(diào)節(jié)雙層氣體流量，在內(nèi)層氣流量30L/min，外層氣流量10L/min時(shí)可獲得適宜的層流長度，能對等離子體實(shí)現(xiàn)很好的控制，獲得穩(wěn)定的焊接過程，得到了無明顯缺陷、成形良好的焊縫。
　　基于復(fù)合焊接時(shí)電弧能有效控制等離子體，對大厚板的Laser-TIG復(fù)合深熔焊接的熱力學(xué)行為進(jìn)行了研究，分析了各自工藝參數(shù)的關(guān)系，結(jié)合復(fù)合焊接工藝的特點(diǎn)，總結(jié)了其獨(dú)特的優(yōu)越性；按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對優(yōu)化工藝參數(shù)下獲得的復(fù)合焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能測試。結(jié)果表明：采用

6、Laser-TIG復(fù)合焊接技術(shù)焊接大厚板有明顯的優(yōu)勢，可以增加激光能量的利用，改善激光、等離子體及熔池之間的能量耦合，提高焊接速度，優(yōu)化能量輸入，不僅可以降低焊縫對激光功率和功率密度的要求，還可以顯著優(yōu)化焊縫的深寬比，利于焊縫熔池氣孔的上浮排出，減小氣孔滯留傾向，獲得無明顯缺陷的焊縫；采用復(fù)合焊接技術(shù)焊接大厚板時(shí)，可以明顯改善焊接工藝對焊接接頭裝配間隙和錯(cuò)邊的適應(yīng)性；采用復(fù)合焊接技術(shù)焊接船用16mm厚的10CrNiMnMoV鋼板的焊接接