激光深熔焊熔池行为研究

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激光深熔焊接技术就是利用高密度的激光能量作为焊接热源,使得材料表面发生汽化形成小孔,小孔的存在能够提高材料对于激光能量的吸收进而增加熔深,进而实现器件连接的技术。具有高效性、稳定性、适用材料范围广的特点,且易于实现自动化、智能化的制造。相较于传统焊接方法具有大的焊缝深宽比、窄的热影响区、变形小、焊接质量稳定以及低污染等优势。但是激光焊接过程由于温度梯度大,接参数以及材料属性对于熔池行为具有的较大影响,易形成焊接缺陷。因此本文借助于仿真技术对激光焊接动态过程进行研究,分析激光焊接过程中熔池与小孔的动态行为,以及不同焊接速度、表面张力系数对于激光焊接熔池及小孔的影响。对于激光焊接熔池研究以及焊缝缺陷分析具有一定的理论意义与工程应用价值。本文考虑激光深熔焊过程中存在对流、辐射、热传导等传热过程以及蒸汽反冲作用力、表面张力、热浮力等力学过程,采用移动旋转高斯体热源来简化焊接的热过程,使用VOF方法跟踪自由界面,通过焓-孔隙法实现焊接过程中凝固熔化的相变过程,同时采用连续表面张力模型将蒸汽反冲作用力转化为在一定厚度上的连续作用力;建立数值仿真模型获得SUS304不锈钢深熔焊接过程中动态熔池的温度场以及流场分布。结果表明:(1)激光深熔焊焊接过程的熔池行为伴随着小孔的形成与坍塌,这是一个动态平衡的过程,整个过程中是蒸汽反冲作用力,表面张力,流体静压等力相互作用不断平衡的过程。同时激光深熔焊过程中熔池小孔的形成,一方面有助于激光光能向熔池底部传递,增加熔池的深度;另一方面加剧了激光焊接熔池的不稳定性。(2)小孔存在周期性的振荡,小孔壁面在蒸汽反冲作用力,表面张力,流体静水压力作用下形成凸台。而凸台在小孔的周期性孔坍塌过程中,凸台与小孔壁面接触,会使得小孔闭合,易于形成空腔,空腔在小孔周期性的振荡下无法运动到熔池表面时,就会产生缺陷。(3)当焊接速度较快时,熔池狭长,小孔的深度降低,使得熔深下降,熔池相对的流动速度下降,但小孔的稳定性提高,因为小孔的平均深度较浅,不利于凸台的形成,增加了焊接过程的稳定性;当焊接速度相对较慢时,熔池沿焊缝呈水滴状,小孔深度增加,因为大的线能量输入,进而使得熔深增加,但是由于较深的小孔深度,在小孔动态平衡过程中,易于在小孔的壁面形成凸台,在小孔闭合过程中,产生缺陷,使得小孔稳定性以及焊缝质量下降。(4)表面张力系数较小时,激光焊接小孔较深,有利于热量向下传递,能够获得更大焊缝深度。而提高表面张力系数时,焊接小孔的深度有所降低,但熔池与小孔更加稳定。激光焊接过程中,可以通过改变材料表面张力数值来调整焊接熔池流动行为,提高焊接熔池的稳定性,降低焊缝接头缺陷率,提高焊缝接头的质量。
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