大功率激光焊接熔池特性数值模拟

论文摘要

随着现代技术的发展,激光焊接的功率越来越大,出现了10KW的FiberLaser焊接新技术,可以焊接10mm厚的不锈钢板,焊缝宽度仅1mm左右。当激光功率为10KW,焊速为4-20m/min时形成特有的大长宽比焊接熔池,本文采用数值模拟的方法对此现象进行了研究。首先运用焓-孔隙度方法建立了移动热源作用下激光焊接过程的控制方程组,给出能量方程和动量方程的边界条件,然后在软件PHOENICS3.4中进行二次开发,分别在Q1控制卡和模块GROUND中编制相应的接口程序,模拟了浮力、表面张力、反蒸发力单独作用及联合作用下不锈钢大功率激光焊接的温度场和流场。论文最后分析了反蒸发力与熔池长度之间的关系,并且验证了模型在低碳钢激光焊接时的实用性。通过模拟结果与试验结果的对比发现:在大功率激光高速焊接时喷发的等离子体对熔池内金属的流动产生很大的影响,等离子体的喷发加速了“匙孔”附近熔池内金属的流动,将热量带向熔池后部,是大功率激光焊接大长宽比熔池现象形成的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 激光焊接概述
• 1.2 开展激光焊接数值模拟的意义
• 1.3 激光焊接数值模拟的研究现状
• 1.3.1 数值模拟计算方法的发展
• 1.3.2 激光焊接数值模拟中热源模型的发展
• 1.3.3 数值模拟过程中考虑因素由单一到综合
• 1.4 本文的主要工作内容
• 第2章 PHOENICS软件简介
• 2.1 PHOENICS的特点
• 2.2 PHOENICS的结构
• 2.3 PHOENICS的计算方法
• 2.3.1 PHOENICS的计算过程
• 2.3.2 边界条件的处理方式
• 第3章 大功率激光焊接数学模型
• 3.1 基本模型与控制方程
• 3.1.1 基本模型
• 3.1.2 控制方程
• 3.2 方程源项及边界条件的处理
• 3.2.1 源相的处理
• 3.2.2 边界条件的处理
• 3.2.3 反蒸发力
• 3.3 模拟程序的实现
• 3.3.1 控制方程组的数值解法
• 3.3.2 程序的编制
• 第4章 大功率激光焊接熔池特性的数值模拟
• 4.1 计算条件的输入
• 4.2 不同驱动力对熔池温度场和流场的影响
• 4.2.1 纯导热作用下的温度场
• 4.2.2 浮力驱动下的温度场和流场
• 4.2.3 表面张力驱动下的温度场和流场
• 4.3 激光焊接熔池特性的模拟结果及分析
• 4.3.1 高焊速下的模拟结果与试验结果的对比分析
• 4.3.2 低焊速下的模拟结果与实验结果的对比分析
• 4.3.3 反蒸发力与熔池长度关系的分析
• 4.3.4 低碳钢的模拟结果分析
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文