激光深熔焊接瞬態(tài)小孔和運動熔池行為及相關(guān)機理研究.pdf

1、以激光為主要熱源的自熔性激光深熔焊、激光填絲焊接等深熔焊接技術(shù)具有能量密度高、焊后殘余應(yīng)力低、焊接精度高，焊接接頭質(zhì)量高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用在航空航天、裝備制造、高速鐵路、大型艦船等國民經(jīng)濟領(lǐng)域的焊接制造中。然而，激光深熔焊接過程物理現(xiàn)象非常復(fù)雜，目前學(xué)術(shù)界對于這些過程中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，如小孔不穩(wěn)定行為、熔池內(nèi)部的流動機理以及焊絲成分在熔池內(nèi)部的動態(tài)稀釋行為等的理解尚不十分清楚，嚴(yán)重制約了這些工藝在焊接制造領(lǐng)域中的進一步應(yīng)用。圍繞上述關(guān)鍵

2、基礎(chǔ)問題，在國家973 項目的資助下，本文對激光深熔焊接過程瞬態(tài)小孔和運動熔池耦合行為，激光填絲焊接過程中焊絲、小孔、熔池之間的動態(tài)交互機理，以及焊絲成分在運動熔池內(nèi)的動態(tài)稀釋規(guī)律進行了理論和實驗研究。所取得的創(chuàng)新工作和結(jié)果如下：
　　 ⑴建立了描述瞬態(tài)小孔和運動熔池耦合行為的激光深熔焊接三維間斷耦合模型，系統(tǒng)地推導(dǎo)出了相應(yīng)的間斷邊界條件，研制了相應(yīng)的三維數(shù)值求解程序。首次通過數(shù)值模擬獲得了與學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同的X-射線實驗結(jié)果吻合

3、良好的瞬態(tài)小孔行為和熔池內(nèi)部流動趨勢。
　　 ⑵基于所建立的間斷耦合模型，首次研究了不同物理因素(反沖壓力、表面張力、熱毛細(xì)力和多重反射菲涅耳吸收)、熱物性參數(shù)(運動粘度、導(dǎo)熱率)以及焊接工藝(激光功率、焊接速度、光斑半徑)對激光深熔焊接過程瞬態(tài)小孔的深度振蕩和熔池流動耦合行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)小孔的不穩(wěn)定與小孔壁面的凸臺行為密切相關(guān)，而凸臺產(chǎn)生的根本原因是小孔壁面的受力不平衡。
　　 ⑶建立了描述激光填絲焊接過程中焊絲、

4、小孔和熔池之間瞬態(tài)耦合行為的三維數(shù)學(xué)模型，通過理論和實驗研究了焊絲在小孔前面，且焊絲分別以熔滴自由過渡和連續(xù)過渡方式進入熔池時的填絲焊接瞬態(tài)行為。研究發(fā)現(xiàn)熔池的最大速度波動可用來描述熔池的穩(wěn)定性，深化了熔池穩(wěn)定性的物理意義。
　　 ⑷建立了激光深熔焊接運動熔池動態(tài)稀釋過程的數(shù)學(xué)模型，并對焊絲成分在熔池內(nèi)部的稀釋行為進行了理論和實驗研究，獲得了與實驗結(jié)果吻合良好的增材合金元素在熔池動態(tài)稀釋中的三維濃度場。該模型的提出為進一步建立全