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| 在激光深熔焊中，小孔效应是激光深熔焊的典型特征。本文目的是研究在激光深熔焊中当激光束热源离开后，预测焊接熔池传热温度场和熔池金属流体填充小孔流动的准确信息。为了改善焊缝质量与焊接结构的可靠性，掌握熔池温度场及其熔池流体的流动，一直是焊接工艺领域重点研究的对象。由于激光焊接熔池小，冷却速度快，熔池金属的回流流动难以试验确定，数值模拟成为了解焊接过程的物理机制重要手段。本文通过fluent软件进行数值模拟，对比研究了金属溶液重力和表面张力以及两者共同作用下小孔回填的形状和尺寸的变化，分析金属溶液重力与表面张力两者如何影响熔池回填小孔，进而对实际激光深熔焊减少焊接缺陷具有重要的指导意义。建立二维激光深熔焊熔池物理模型，模拟激光深熔焊凝固阶段熔池的传热和流体流动。研究内容：（1）熔池凝固冷却温度场变化；（2）熔池流体回填小孔的瞬时形态；（3）激光焊接熔池流动速度场分布；（4）熔池回填小孔的压力场分布。首先，通过大量参考文献建立比较符合实际的二维激光深熔焊熔池物理模型。其次，根据实际获得深熔焊熔池的温度场，小孔中液-气界面认为是金属的汽化温度；熔池的液-固边界认为是金属的凝固温度，从而可以得到在激光束刚撤走瞬时的熔池温度场分布。最后，基于所建立的熔池温度场模型，研究了不同物理因素(表面张力、热毛细力和静压力)以及热物性参数(运动粘度、定压比热、导热率)对激光深熔焊接过程熔池温度场和熔池流体回填小孔的瞬态形貌的影响。采用Volume Of Fluid(VOF)技术跟踪连续激光高能束流焊接过程中熔池小孔液/气界面变化，模拟了在表面张力和重力共同作用、只有表面张力和只有重力作用下三种情况下熔池金属流体向小孔流动的过程，对比分析三种情况下熔池温度场变化、流体的流动行为及其速度场，得出熔池回填小孔的主导因素，为研究动态熔池对小孔稳定性的影响及缩孔的形成机理和控制措施奠定基础。模拟结果表明：在焊接小孔方向上存在很明显的大涡旋，熔池熔液的大涡旋是促进焊接熔池的对流换热的主要因素；而在熔池后部上表面附近也存在涡旋现象，是导致熔液隆起的唯一因素；这些涡旋是表面张力梯度直接作用的结果。表面张力是激光深熔焊熔池回填小孔的主要因素，熔池静压力次之。故我们可以通过添加表面张力活性剂来控制熔池熔液表面张力的大小及方向是我们将来以后实际激光焊接中的减少气孔等焊接缺陷的主要措施。 |
文档标签:
流体力学
