激光深熔焊接瞬态小孔内部可压缩金属蒸汽动力学行为研究

摘要

激光焊接过程中产生的金属蒸汽对小孔和熔池的稳定性有重要影响，它们之间的相互作用直接影响焊接过程的质量。小孔内部金属蒸汽温度高，变化剧烈并且常规条件下不可见，焊接过程中熔池、小孔和金属蒸汽具有不同的时间尺度。因此，由于缺乏有效的研究方法，目前激光焊接瞬态小孔内部可压缩金属蒸汽动力学行为机理仍不十分清楚。
　　建立了激光焊接连续过程中瞬态小孔内部可压缩蒸汽动力学数学模型，提出了一种新的“双时间步长”的高效多时间尺度多相流数值模拟方法，该方法与理论上熔池、小孔、金属蒸汽的模拟方法相比，提高了数十倍的计算效率。
　　模拟了典型焊接工艺参数条件下304不锈钢激光焊接瞬态小孔内部金属蒸汽运动状态，获取了孔内金属蒸汽的各个状态参量分布及其随时间的演化情况，发现金属蒸汽的最高温度在4000K左右，其平均压力在100～113kPa范围内，其密度在0.15～0.3kg/m3范围内。模拟结果与实验结果及文献结果吻合良好。
　　通过比较不同时刻下金属蒸汽的温度、压力、马赫数等参数分布，发现了激光深熔焊接孔内金属蒸汽的分布具有不均匀性和高瞬态性，其瞬时马赫数可以很容易达到0.8，甚至超过1.0，可见金属蒸汽可能是剧烈压缩的。模拟得到了与文献结果及实验结果一致的小孔内壁局部蒸发现象及金属蒸汽在开口处的偏摆现象。通过比较不同工艺条件下金属蒸汽状态参量变化规律，发现热输入量越大，孔内金属蒸汽的温度、压力和马赫数也越大，同时金属蒸汽在开口处的喷出速度及摆角振荡程度明显增加。

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1绪论

1.1课题背景及意义

1.2激光焊接概述

1.3国内外研究现状

2瞬态小孔内部可压缩金属蒸汽数学模型及模拟方法

2.1引言

2.2模型假设

2.3控制方程

2.4耦合边界条件

2.5跨时间尺度多相流求解算法

2.6可压缩气体求解器模拟验证

2.7本章小结

3瞬态小孔内部金属蒸汽模拟结果验证

3.1引言

3.2实验及模拟参数

3.3模拟结果验证

3.4本章小结

4瞬态小孔内部可压缩金属蒸汽动力学行为

4.1引言

4.2瞬态小孔内部金属蒸汽动力学行为

4.3不同工艺条件下金属蒸汽动力学行为

4.4本章小结

5全文总结及展望

5.1全文总结

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