侧吹气流下高功率激光焊接数值仿真与实验研究

摘要

激光焊接具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊接速度快、适用于柔性制造等优点，在轨道交通、汽车制造、航天工程等行业中应用广泛。相比低功率激光焊接，高功率激光焊接（大于5kW）具有更大的能量密度，可实现中厚壁构件（大于4mm）的高效焊接，有着巨大的发展潜力与研究意义。 高功率激光焊接中激光功率的提高使得焊缝质量、力学性能更难控制，相比于低功率激光焊接更易出现焊接缺陷。而侧吹气流能改变熔池内液态金属的流动行为及小孔开口形貌，可用于提高高功率激光焊接质量。本文通过实验与数值仿真的方法研究侧吹气流作用下高功率激光焊接气-液-固三相转变过程中的传热传质机理，研究焊接中熔池小孔动力学行为及稳定性条件，分析侧吹气流对高功率激光焊接过程影响的作用机制，对获得良好焊接质量有着重要的工艺指导意义。针对侧吹气流作用下316L不锈钢高功率激光焊接熔池小孔动态行为与焊接质量相关性进行了数值模拟和实验研究，取得的成果如下： （1）建立了侧吹气流下高功率激光焊接数学模型。其中，建立的三维组合热源模型在模拟中根据实时获取的小孔深度自适应变化，同时在模型中考虑了羽辉中微粒作用下入射激光能量衰减效应，建立激光输入能量与蒸汽羽高度之间的联系；同时使用改进的PLIC-VOF方法实现对小孔自由界面的实时追踪，从而实现了模型中小孔壁面反冲压力的准确计算与加载。 （2）进行了侧吹气流工艺下316L不锈钢高功率激光焊接数值模拟，发现了侧吹气流工艺参数变化会影响焊接熔池小孔动态行为、金属蒸汽/等离子体形貌特征、熔池内部温度、小孔形貌及其震荡性，进而揭示了侧吹气流对高功率激光焊接过程影响的作用机制。 （3）进行了侧吹气流作用下316L不锈钢高功率激光焊接工艺实验。改变侧吹气流流量、横向距离、喷嘴高度，观测分析其对焊缝形貌及焊接接头力学性能的影响，获得最优侧吹气流工艺参数。

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