激光-电弧/磁场深熔复合焊接熔池数值模拟

摘要

高功率激光焊接以其能量密度高、焊接热影响区小，焊接质量高等特点，已在工业领域得到广泛的应用。与此同时，激光焊接也存在着桥连性差、适应性差等缺点，因此将激光与其他能场相互耦合进行复合焊接的方法被陆续提出。复合焊接过程复杂，熔池行为剧烈，一般的实验手段难以直接获得焊接过程中熔池及小孔内部的温度场、速度场以及压力场等内部信息，制约了对焊接机理的深入理解和焊接技术的进一步推广。本文通过数值模拟的手段对激光-电弧/磁场复合焊接熔池及小孔的内部传热和流动过程做了分析。
　　分析了激光、电弧热源模型及其组合热源模型的空间分布，考虑了焊接过程中蒸汽反冲作用力、浮力、表面张力、热毛细力等对熔池及小孔运动的影响，建立了激光-电弧、激光-磁场复合焊接综合数学模型。并通过UDF（User Define Function），采用C编程将能量、体积力等源项，边界条件，材料的热物性参数等添加FLUENT控制方程中，基于VOF（Volume of Fluid）方法对小孔及熔池的气/液界面进行了实时追踪。
　　研究了激光与电弧焊接的温度场分布情况，以及偏置型激光-电弧复合焊接熔池的温度场分布情况及特点。分析了激光-电弧复合焊接前期，小孔的受力情况及小孔的发展速度，蒸汽反冲作用力对于熔池的流动速度及熔池形态的决定性作用。
　　研究了激光-磁场复合焊接处于稳态时，不同大小的热毛细力对熔池流动及熔池形态的作用，结果表明热毛细力是形成“钉子形”焊缝的重要因素。分析了不同磁场强度下熔池的流动及熔化情况，结果表明对于焊接处于稳态时洛伦兹力作用不明显；当焊接处于凝固阶段时洛伦兹力的作用开始显现，减缓熔池的温度降低，有利于焊接过程中熔池内部产生的气泡的逸散，提高焊缝质量。
　　本文的研究与实验结果较为符合，可以较好的解释激光复合焊接过程中的流动与传热行为，对于深入理解激光深熔复合焊接机理有一定指导作用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题来源、目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究现状总结与问题分析

1.4本文的主要工作与结构

2 激光-电弧/磁场复合焊接数学模型

2.1引言

2.2激光-电弧/磁场复合焊接的控制方程

2.3激光-电弧/磁场复合焊接的热源模型

2.4基于VOF的界面跟踪方法概述

2.5数值求解方法与FLUENT二次开发

2.6本章小结

3 激光-电弧复合焊接耦合仿真分析

3.1引言

3.2激光-电弧复合焊接数学模型

3.3激光-电弧复合焊接网格划分与计算参数

3.4激光-电弧复合焊接小孔与熔池耦合仿真结果与分析

3.5本章小结

4 激光-磁场复合焊接耦合仿真分析

4.1引言

4.2激光-磁场复合焊接数学模型

4.3网格划分与计算参数

4.4激光-磁场复合焊接仿真结果与分析

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

致谢

参考文献