电子束焊接小孔和熔池耦合动力学行为数值模拟研究

摘要

真空电子束焊接（EBW）与常规电弧焊接方法相比，具有功率高、能量密度集中、热影响区小、焊缝深宽比大等许多优点。电子束焊接发展的近四十年来，尽管国内外学者通过大量的实验研究对小孔和熔池动力学行为有了一定的了解，但由于电子束焊接过程十分复杂，电子束焊中的小孔和熔池动力学行为及耦合作用机制目前为止仍不是很清楚。采用数值模拟的方法则可在具体实验研究的基础上对电子束复杂的物理作用机制作进一步的探讨，通过建立能合理描述电子束焊接中小孔和熔池物理作用机制的三维数学耦合模型，进行相关的数值模拟实验，并将模拟实验与实际工艺的电子束实验比对能够提高对小孔和熔池耦合动力学行为的认识。基于此，本课题主要开展了以下几个方面的研究：
　　本文基于与X射线实验结果相吻合的瞬态小孔形貌，创造性地建立随小孔形貌变化且同时综合考虑电子束焊接过程中的反射吸收和金属蒸发等多种因素的动态热源模型，采用Particle Level Set方法来追踪动态小孔自由界面演化过程，采用间断边界方法进行反冲压力、热毛细力、表面张力边界条件的处理，并采用AMG-CG（代数多重网格收敛迭代）方法进行矩阵求解，最终建设性地建立了三维耦合数学模型，该模型可合理描述真空电子束深熔焊小孔和熔池动力学行为。
　　本文基于上述三维数学模型，模拟了加速电压为110kv，电子束流分别为5mA和10mA，焊接速度为16.7mm/s的典型焊接工艺参数条件下TC4钛合金电子束深熔焊小孔和熔池耦合动力学，包括小孔形貌演化，熔池温度场分布和流动场分布以及熔池流动演变的作用力，并将模拟结果与同等工艺下的实验结果作了对比验证，对比结果表明数值模拟结果与实验及文献结果吻合良好。
　　本文通过对小孔表面积和体积的变化来定量讨论小孔振荡过程，通过研究表面张力吸收、焊接速度等因素对小孔振荡的影响，提出小孔径向振荡的新机理，结果表明表面张力是影响小孔振荡的关键因素；通过分析小孔熔池的耦合作用，提出熔池和小孔耦合作用机理，而模拟结果也表明在电子束焊接过程中小孔和熔池之间作用是互相影响，彼此耦合的。

目录

声明

1绪论

1.1课题背景及意义

1.2 真空电子束焊接

1.3国内外研究现状

1.4 课题主要研究内容与目标

2 钛合金电子束焊接数值模拟数学模型

2.1引言

2.2 相关简化与假设

2.3 控制方程

2.4 热源模型

2.5 动态界面追踪

2.6 边界条件

2.7 数值计算方法

2.8 AMG-CG矩阵求解算法

2.9 本章小结

3小孔与熔池演变的数值模拟

3.1引言

3.2 实验及模拟参数

3.3小孔与熔池动力学行为

3.4小孔与熔池模拟结果验证

3.5熔池流动演变的作用力

3.6本章小结

4小孔与熔池耦合作用机理

4.1引言

4.2小孔振荡演化过程

4.3小孔振荡机理研究

4.4小孔与熔池耦合作用机理

4.5本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的学术论文