随着工业技术的发展,中厚板结构的电子束焊接在能源、材料、航天等领域中的应用越来越广泛。在实现单面焊双面成形的过程中,由于金属蒸汽反冲压力的作用会产生焊缝下榻的现象,降低焊接接头质量。经实验证明,电子束横焊可以解决这一问题,目前有关电子束横焊的研究鲜有报道。本文基于边界层理论建立了液态金属冲刷效应的数学模型;并通过数值分析的手段,从电子束焊接熔池流动行为和凝固过程两个方面展开研究,分析平焊与横焊焊缝的差异及其原因。针对电子束焊接特点,本文在新型电子束焊接热源的基础上建立了三维瞬态模型。在模型中采用VOF算法跟踪熔池自由液面,并考虑了金属蒸汽反冲压力、表面张力、热浮力、热毛细力、重力和流体冲刷效应在熔池中的作用。分析了液态金属冲刷效应对熔池的作用规律,对未穿透焊型电子束平焊与横焊进行了模拟。液态金属对固液界面的冲刷是一个热力耦合过程,冲刷会增大固液界面上的对流换热系数,并对固液界面产生“切削”作用。从模拟结果中可以看出:液态金属冲刷效应会使焊接熔池的平均温度降低、匙孔变得不稳定、流速增高,熔深增大,固液界面尺寸增加;熔池中液态金属流速越大、温度越高,冲刷效果越明显。对电子束焊接熔池的温度场和流场进行耦合分析,焊接进入准稳态后,匙孔尺寸在金属蒸汽反冲压力和表面张力共同作用下不断变化。根据熔池流场分布情况,可以将熔池分为三个区域:匙孔前方熔池(区域I),匙孔后上方熔池(区域II),匙孔后下方熔池(区域III)。这三个区域里的液态金属在熔池中的作用分别为:维持熔池体积、维持熔池表面积、产生涡流促使熔池发生坍塌。电子束焊接熔池凝固过程中会产生锯齿形焊缝、钉尖、弧坑、冷隔等缺陷。锯齿形焊缝是电子束在匙孔壁面上分布不均匀导致的;钉尖是由于匙孔坍塌和液态金属回填交替进行导致的;弧坑和冷隔则是由电子束收束过程中液态金属冷却速度大于回填速度造成的。通过对不同规范下焊接过程的模拟还可以发现,电子束流越大,锯齿形焊缝幅度越大、钉尖数量越多、弧坑和冷隔的尺寸越大。对于电子束未穿透焊,平焊与横焊的熔池行为基本一致,重力对熔池流场的影响不大。在熔池凝固时,横焊焊缝余高部分会向重力方向偏移,但不影响整体焊缝的形状。