激光深熔焊接過程的數值模擬與等離子體控制研究.pdf

1、激光焊接技術是一種廣泛應用于工程中的先進連接技術，隨著激光輸出功率的提高和光束質量的不斷改善，激光深熔焊接技術越來越廣泛的應用于工業(yè)領域。本文廣泛調研了激光深熔焊接的研究動態(tài)，概述了激光深熔焊接的熱點問題，對激光深熔焊接過程的穩(wěn)定性問題進行了深入研究。
　　本文以激光深熔焊接的基本物理與冶金過程為基礎，建立了深熔焊接的三維模型，運用FLUENT軟件，結合激光深熔焊接的特點，將激光束處理為與小孔深度適應的動態(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熱力學問題進行了研究與分析。采用高速攝像儀和多通道光譜儀對激光焊接時的等離子體和熔池進行了觀測，結合實驗，研究分析了激光深熔焊接時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。結果表明：從焊接開始到穩(wěn)定階段，小孔不斷加深，孔內溫度逐漸升高，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，當熔池到達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??；在輸入功率較高時，小孔冷凝前沿中下部出現凹陷，上部出現凸峰；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；凹凸交界流動復雜，容易使小孔塌陷形成氣孔。計算結果與實驗結果吻合較好，并能對實驗中的現象給出合理的解釋。
　　結合實驗對等離子體的熱力學行為和演變規(guī)律進行了研究，以小孔端口等離子體壓力分布的計算模擬結果為基礎，采用空氣動力學的基本理論設計了專用于

4、控制等離子體的激光焊接噴嘴。對設計的噴嘴進行了模擬分析，并通過紋影儀對其流態(tài)進行了研究分析，結果表明：小孔內等離子對激光的逆軔致輻射吸收遠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??；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小；

5、調節(jié)雙層氣體流量，在內層氣流量30L/min，外層氣流量10L/min時可獲得適宜的層流長度，能對等離子體實現很好的控制，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。
　　基于復合焊接時電弧能有效控制等離子體，對大厚板的Laser-TIG復合深熔焊接的熱力學行為進行了研究，分析了各自工藝參數的關系，結合復合焊接工藝的特點，總結了其獨特的優(yōu)越性；按行業(yè)標準對優(yōu)化工藝參數下獲得的復合焊接接頭進行了力學性能測試。結果表明：采用

6、Laser-TIG復合焊接技術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；采用復合焊接技術焊接大厚板時，可以明顯改善焊接工藝對焊接接頭裝配間隙和錯邊的適應性；采用復合焊接技術焊接船用16mm厚的10CrNiMnMoV鋼板的焊接接