基于Level-Set方法的小孔和熔池动态形成过程模拟研究

摘要

激光焊接在航空航天、汽车、铁路、大型舰船等国民经济领域中广泛应用，但激光深熔焊接过程物理现象非常复杂，目前学术界对焊接中小孔及熔池动态形成机理的理解尚不清楚。围绕上述关键基础问题，本文在总结激光深熔焊接现有研究成果的基础之上，建立了基于Level-Set方法的小孔和熔池动态形成过程三维仿真模型，该模型可实现对焊接过程中运动气液界面的追踪，从而得到焊接小孔和熔池的瞬态形貌。本文主要研究了激光深熔焊接过程中小孔和熔池动态的形成过程，模型中考虑了自由界面演化、表面蒸发、Knudsen层、均值沸腾以及光束在孔内多次反射传输等因素。同时，本文还理论分析和模拟研究了焊接过程中小孔和熔池动态形成阶段的等离子体特征参量，如温度分布、功率密度分布，压强分布及速度分布。
　　 首先，本文构建了基于Level-Set方法界面追踪模型，对Level-Set方法在激光焊接中的应用做了模型化公式推导，包括Level-Set方程的离散化、运动界面的法线与曲率的演算、窄带化的自适应网格理论和重新初始化。其次，构建了焊接小孔形成数值模型，采用Level-Set方法追踪气液界面的运动，采用混合连续模型追踪固液界面的运动。通过Navier-Stokes方程推导出气液界面处动量的边界条件，考虑了导致小孔和熔池形成的两个主要的驱动力-热毛细力和金属蒸汽的反冲压力。通过将同工艺参数下计算得到的小孔和熔池仿真结果与同轴在线监测装置拍摄得到的小孔及熔池对比，小孔直径与熔池宽度误差分别为8％和6.6％，结果证明该模型较准确的反映了焊接小孔及熔池动态形成。再次，通过界面形貌、金属蒸汽流场、孔壁功率密度和温度分布等方面，研究了激光深熔焊接小孔和熔池的瞬态形貌特征及动态形成过程。结果表明:焊接过程中焊接熔池高于焊接表面，熔池在小孔前沿薄后沿厚，温度梯度在小孔前沿大后沿小，小孔及熔池前沿和后沿存在明显的非对称性;通过激光焊接过程中金属蒸汽流速度场发现孔壁上蒸发的金属蒸汽由孔壁流向小孔中轴线，且向孔外喷射;金属蒸汽在小孔中轴线处的流速高于孔壁处的流速，小孔顶部处的流速高于孔底处的流速，最大流速80 m/s;孔壁上的激光功率密度分布不均匀，孔底激光功率密度最大;孔壁最高温度为3700K，高于汽化温度567 K，位于孔底处;激光照射到材料的瞬间，孔深变化速度最快，为0.21 mm/ms;小孔形成的初级阶段孔深的变化较快，但随着小孔深度的增加，孔深变化速度逐渐下降。最后，对焊接小孔和熔池动态形成过程中的等离子体特征进行了模拟研究，模型基于质量和能量守恒，考虑了焊接过程中的均值沸腾和表面蒸发现象，同时考虑了等离子体对激光能量的吸收与辐射，模型模拟了金属蒸汽和等离子体的动态形成过程及焊接工件上方等离子体形态的变化，得到了2.2ms时刻等离子体中心的最高温度达到4300K;分析了金属蒸汽和等离子体形成后对孔壁的压强场的分布，孔内的最大压强为4×105Pa，是标准大气压的4倍，并指出金属蒸汽和等离子体对液态金属表面产生压强是小孔形成和熔池流动的直接因素;得到了金属蒸汽与等离子体沿小孔径向的速度分布，该时刻蒸汽与等离子在小孔径向的最大流速为60m/s，最大流速位于蒸汽与等离子体流体中心处且接近孔底的位置，且金属蒸汽与等离子体沿流体轴线上方向与径向方向的流速下降;考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度最高为3.5×109W/m2，而未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度最高为4×109W/m2，等离子体对激光能量的吸收会降低孔内功率密度的分布。
　　 研究结果将为激光深熔焊接小孔和熔池动态形成及等离子体对激光能量吸收的机理研究和模拟研究提供理论依据。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号表

第1章 绪论

1．1 激光深熔焊接机理

1．2 激光深熔焊接模拟研究现状

1．2．1 小孔模拟研究

1．2．2 动态熔池行为模拟研究

1．2．3 等离子体在激光深熔焊接中的耦合研究

1．3 运动界面追踪研究现状

1．3．1 运动界面追踪问题及其数值方法

1．3．2 VOF在界面追踪中的应用概述

1．3．3 Level-Set在界面追踪中的应用概述

1．4 本课题主要研究内容

第2章 基于Level-Set的界面追踪模型

2．1 Level-Set方法概述

2．2 基于焊接模型的Level-Set方程

2．3 动态方程求解

2．4 运动界面的法线与曲率

2．5 窄带化的自适应网格

2．6 符号函数重新初始化

2．7 本章小结

第3章 焊接小孔形成数值模拟

3．1 模型特点及模型假设

3．2 数学模型

3．2．1 固液界面的追踪

3．2．2 气液界面的追踪

3．3 边界条件

3．3．1 热源模型

3．3．2 激光在孔内多次反射吸收

3．4 追踪气液界面运动控制方程

3．5 实验数据与计算结果对比分析

3．5．1 试验方法与结果

3．5．2 模拟结果讨论及验证

3．6 小孔及熔池动态模拟

3．6．1 界面形貌分析

3．6．2 金属蒸汽流场分析

3．6．3 孔壁功率密度和温度分布

3．6．4 小孔动态形貌

3．6．5 本章小结

第4章 金属蒸汽及等离子体行为模拟

4．1 模型假设

4．2 蒸发模型

4．2．1 液相均值沸腾

4．2．2 汽液界面的蒸发

4．3 计算单元内质量和能量守恒

4．4 等离子体对激光能量的辐射吸收

4．5 控制方程

4．6 计算结果分析

4．6．1 等离子体对激光能量的吸收

4．6．2 金属蒸汽及等离子体对熔池动态形成的作用

4．7 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文、专利及获奖

附录B 部分程序源代码