振荡扫描激光焊接和激光-电弧复合焊接数值模拟

摘要

振荡扫描激光束能够解决常规激光焊接间隙桥接能力不足的问题，还能够改善焊缝组织，提高力学性能。但是，有关振荡扫描激光焊接/激光-电弧复合焊接的研究基本上局限于实验探索，缺乏对其熔池温度场和内在流动行为的深入了解。为此，本文开展了振荡扫描激光焊接/激光-电弧复合焊接的数值模拟，主要研究结果如下： 基于振荡扫描激光焊接特点建立了振荡扫描激光焊接/激光-电弧复合焊接的三维数值模型，通过焊缝横截面形貌特征对数值模型进行了验证，发现激光焊接模拟精度在89.2%以上，复合焊接模拟精度在87.5%以上。 通过振荡扫描激光焊接数值模拟发现，激光振荡扫描行为能够扩大激光能量的堆积范围，减小熔池温度梯度。激光小孔在熔池内的“搅拌”行为能够在小孔周围形成高速流场，该高速流场在整个熔池流场中占主导作用。随着激光束扫描频率和振幅的增加，熔池内的温度梯度逐渐减小，峰值流速则逐渐增加。在给定参数下（激光功率2800W、焊接速度3m/min），当激光束扫描频率由30Hz增加到90Hz时（振幅1mm），熔池内焊接方向温度梯度由279K/mm减小到38.3K/mm，峰值流速由0.515m/s增加到0.998m/s；当扫描幅度由0.50mm增加到1.25mm时（频率50Hz），熔池内焊接方向温度梯度由960K/mm减小到149K/mm，峰值流速由0.309m/s增加到0.909m/s。 在振荡扫描激光-电弧复合焊接数值分析中发现，电弧热源的加入能够加速熔池对流，提高熔池内的流体平均峰值速度。在给定参数下（激光功率2800W、送丝速度4m/min、焊接速度3m/min、振荡频率50Hz和振幅1mm），相比较于激光焊接，复合焊接熔池平均峰值流速由0.641m/s增加到了0.855m/s，增加了约33%。熔滴对熔池的冲击会在其周围形成新的高温区域和高速流场。但是，该周期性高速流场弱于小孔附近始终存在的高速流场，熔池流动模式仍由小孔“搅拌”效应决定。

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