7N01铝合金电子束定点焊熔池输运现象预测

摘要

为有效改善真空电子束焊焊缝成形并抑制成形缺陷产生,本文以12 mm厚7N01铝合金为研究对象,基于CFD软件Ansys Fluent深入分析了电子束定点焊匙孔钻取过程及熔池传热和流体输运现象并进行了实验验证.为真实反映电子束流能量密度空间分布特点,建立了考虑束流活性区特征的自适应热源模型并采用VOF算法对气液界面进行实时追踪.数值分析结果表明,束流能量密度分布及与瞬态熔池/匙孔之间的耦合作用是直接决定焊缝成形良好与否的关键.当束流处于下聚焦模式时,特有的能量分布形式及其诱导的等离子体保温作用、金属蒸汽反冲压力、Marangoni流以及热浮力的耦合向上输运作用(最大流体速度为15 m/s左右),导致最终焊缝余高的形成及钉头区域扩展.由于深度方向上束流能量密度先增加后大幅降低,导致熔深熔宽的增加速度出现类似的演变规律,并且在匙孔底部可能诱发钉尖缺陷的产生.此外,研究还发现,随着匙孔深度增加,能量波动、金属蒸汽反冲压力与表面张力竞争作用逐渐加剧,促使匙孔钻取过程具有周期性.