基于VOF方法激光深熔焊接小孔行为的数值分析

【摘要】激光焊接是利用高能量密度的激光脉冲对材料微小区域进行局部加热,激光辐射的能量通过热传导向材料内部扩散,材料熔化后形成熔池。它是一种新型的焊接方式,激光焊接主要针对薄壁材料、厚板材料以及精密零件等等,可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊、深熔焊等,熔池的深宽比高,焊缝宽度小,热影响区小、变形小,速度快,焊缝平整、美观,焊后无需处理或只需简单处理,焊缝质量高,无气孔,可精确控制,聚焦光点小,定位精度高,易实现自动化。针对激光深熔焊接小孔行为、熔池流动的实验观测,国内外研究人员多采用高速CCD摄像、X–射线、红外成像等试验手段来研究小孔和熔池的耦合行为,但这些实验手段并不能获得全面有效的小孔及熔池内部流场、压力场及温度场数据。因此,建立合适的综合模型,通过数值模拟的手段获得小孔壁面和熔池内部的能量、压强、温度、速度等物理量以及小孔实时形貌,对于探讨激光焊接的本质以及有关物理现象具有十分重要的科学意义。围绕上述关键问题,本文对激光深熔焊接过程中瞬态小孔和运动熔池耦合行为进行了合理假设和研究,针对激光定点焊接过程,在考虑表面张力、气化压力、浮力、液固之间相互作用力以及熔池内层流、辐射和液气界面传热与传质等因素的影响,建立了激光定点焊过程中激光热源随熔深变化的自适应模型,通过VOF方法对熔池自由表面进行动态追踪,并对熔池的深度、温度分布、压力分布、焊缝形貌的动态演变过程进行了分析。结果表明：因材料受热气化产生的气化压力是小孔形成的重要驱动力；气化压力导致熔池底部压力较熔池上部更大,同时对焊接熔池有向下的推动力；材料气化时产生的气化压力将液态金属沿小孔壁面向上排出,由于Boussinesq浮力和气化压力的共同作用在工件表面上形成堆高；气化压力对熔池的强烈挤压作用使得熔池下部液态金属相对较“稀薄”,导致熔池下部以热传导方式为主,熔池上部以对流传热为主；当定点焊接时间t>10ms时容易形成钉尖缺陷。针对连续激光深熔焊接过程中,为了探究移动激光束对熔池流动以及移动小孔动态演变的影响,建立了连续激光深熔焊接随熔深变化的自适应热源,并对焊接过程中焊缝成形过程进行抽象,提出了熔池凝固模型,对熔池的深度、温度分布、流场分布以及相同焊速不同功率下小孔的动态演变过程进行了模拟分析。结果表明：当焊速为0.08m/s,功率分别为1600、2000、2400W,焊接时间t<7.2ms时,运动熔池形成过程中,小孔深度随时间成线性增长；当焊接时间t>7.2ms时,小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定；随着激光光束的移动,激光束主要作用于熔池前壁面上,导致熔池前壁受气化压力作用明显,熔池前部金属受到挤压绕过小孔壁面,从小孔前部熔池流向后部,在后部熔池中形成局部环流,凝固形成“鱼鳞状凝固线”。通过对激光定点深熔焊以及连续激光深熔焊接过程的抽象假设,建立了基于VOF方法激光深熔焊接小孔行为的数值分析过程,采用数学建模的方式对激光焊接过程中熔池的动态行为进行可视化研究,这种方式对于激光焊接原理性的研究具有很高的科学价值。
【作者】张健；
【导师】张建斌；樊丁；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】VOF法；动态演变；激光深熔焊；自适应热源；

【参考文献】
[1]宁丽丽.面向领域的预测分析方法及应用研究[D].哈尔滨工程大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[2]薛庆忠,褚良永,雷拓.纳米碳/聚偏二氟乙烯高介电复合材料[J].中国石油大学学报(自然科学版),2013,05:196-200.
[3]覃磊.工业CT图像轮廓处理与矢量化方法研究[D].重庆大学,机械电子工程,2014,硕士.
[4]孙婷.论古诗词在对外汉语教学中的应用[D].吉林大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[5]李革庆.关于建立中枢辐射航线网络布局的研究[D].西北工业大学,2002.
[6]陆冰颖.2-脱氧-D-葡萄糖对人卵巢癌SKOV-3增殖的影响[D].苏州大学,妇产科（专业学位）,2013,硕士.
[7]吕磊.ATM交换网优先级控制的研究[D].青岛大学,计算机软件与理论,2004,硕士.
[8]梁涛.上市公司审计定价影响因素研究[D].天津财经大学,会计学,2012,硕士.
[9]黄鑫.对国内音乐剧发展现状的研究[D].沈阳师范大学,音乐学,2013,硕士.
[10]许烨.私募股权投资的介入对企业的财务影响[D].复旦大学,会计学,2012,硕士.
[11]凌云.元数据登记系统[J].情报科学,2003,01:62-65.
[12]蔡维维.一种新型的接地距离保护研究[D].南京理工大学,电力系统及其自动化,2013,硕士.
[13]龚敏霞,闾国年,张书亮,陈锁忠.智能化空间决策支持模型库及其支持下GIS与应用分析模型的集成[J].地球信息科学,2002,01:91-97.
[14]魏佳.我国农民工思想政治教育状况的研究[D].厦门大学,思想政治教育,2014,硕士.
[15]韦海棠.腹腔镜与开腹子宫肌瘤剔除术后对妊娠影响的比较[D].广西医科大学,妇科（专业学位）,2013,硕士.
[16]阮茹幸.甘肃西长凤高速公路Superpave沥青路面施工技术研究[D].重庆交通大学,道路与铁道工程,2012,硕士.
[17]赵航菊.含8-羟基喹啉或噁二唑硫酮为母体的不对称有机配体的自组装及性质研究[D].山东师范大学,有机化学,2013,硕士.
[18]苑鹤,王卫娜,吴秋华,王春,王志.磁性石墨烯固相萃取/原子吸收法测定环境水样中的痕量铜[J].分析测试学报,2013,01:69-73.
[19]李芳.广州阳光国际旅行社导游人员绩效考核改进研究[D].湖南大学,工商管理,2011,硕士.
[20]吴娴.中小学生密度概念发展及其影响因素的研究[D].广西师范大学,课程与教学论,2003,硕士.
[21]马昌科.模拟人体三维环境下微观沟槽结构对细胞取向性生长的调控[D].苏州大学,骨外科（专业学位）,2014,硕士.
[22]ORTEGAJULIANA（欧丽安）.Colombia’s Place in Sino-Latin American Strategic Partnerships[D].山东大学,国际关系,2013,硕士.
[23]齐琳.论中国山水画的情感传达—笔墨情趣与意境营造[D].鲁东大学,美术学,2013,硕士.
[24]密渊.体育文化引入到武汉市中小企业管理的研究[D].湖北大学,体育教育训练学,2012,硕士.
[25]常浩.京杭运河船型标准化研究[D].大连海事大学,交通运输规划与管理,2004,硕士.
[26]邓雅晴.锰铈复合型非贵金属氧化物催化剂的制备、表征及CO氧化反应机理的研究[D].华东理工大学,化学工程,2014,硕士.
[27]刘睿.多囊卵巢综合征中医药辨证论治疗效研究[D].北京中医药大学,中医妇科学,2013,硕士.
[28]董小莎.山东省高等教育跨境消费的发展研究[D].山东财经大学,教育经济与管理,2012,硕士.
[29]吴群慧.青藏铁路多年冻土地区环境保护措施[J].中国铁路.2002(01)
[30]王康.JSBC集团职位管理优化研究[D].南京理工大学,工商管理,2012,硕士.
[31]高军,凌云,周兴元,牟永光.时频域球面发散和吸收补偿[J].石油地球物理勘探,1996,06:856-866+905-906.
[32]尹艳玲.靶场离线终端控制技术与软件设计[D].西安工业大学,武器系统与运用工程,2014,硕士.
[33]魏治静.免标记的电化学免疫传感器的制备[D].青岛科技大学,2012.
[34]晋卫军.发光纳米材料和量子点化学传感及其机理[J].化学传感器,2014,02:1-15.
[35]余红霞.黄土高原油松根际微生态特征及外生菌根真菌抗油松立枯病的作用[D].西北农林科技大学,森林保护学,2014,博士.
[36]孙艳华.湖南省宁乡县新型种植制度功能效益研究[D].湖南农业大学,2004.
[37]刘丽娟.大学和社区的协同发展研究[D].西南交通大学,行政管理,2013,硕士.
[38]练秋生,张钧芹,陈书贞.基于两级字典与分频带字典的图像超分辨率算法[J].自动化学报,2013,08:1310-1320.
[39]格明福.审美意识形态：从路易·阿尔都塞到特里·伊格尔顿[D].广西师范大学,文艺学,2003,硕士.
[40]韩江燕,乔庆东,李琪,王艳菊.二茂铁甲酸及其衍生物的研究进展[J].应用化工,2014,04:713-717.
[41]倪胜.肖邦《马祖卡舞曲》研究[D].中国音乐学院,作曲与作曲技术理论,2012,硕士.
[42]杜洁兰.基于C/S架构的连锁会员管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[43]刘春梅.吡虫啉和溴虫腈在节瓜和土壤中的残留及膳食风险评估[D].华中农业大学,植物营养学,2014,硕士.
[44]施海涛.大连市软件企业项目经理绩效评估方法研究[D].大连理工大学,企业管理,2004,硕士.
[45]杨依路.静电除尘用大功率电源软开关方法研究[D].重庆大学,电气工程,2014,硕士.
[46]王星.现代城市排水系统研究[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[47]陈龙,王国胤.计算机取证技术综述[J].重庆邮电学院学报(自然科学版),2005,06:736-741.
[48]高凤.基于期望损失ES的风险资本配置研究[D].华中师范大学,数量经济学,2013,硕士.
[49]孙卿云.论网络虚拟财产的刑法保护[D].兰州大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[50]苏章海.对比语言学元语言系统的演变研究[D].华东师范大学,语言学及应用语言学,2014,博士.