HPDDL激光焊接热过程数值分析

论文摘要

HPDDL（High Power Direct Diode Laser）是一种可用于焊接的新型的激光器,它具有波长短、体积小、重量轻、光电转换效率高、输出功率稳定等一系列优点。HPDDL激光器光斑呈长条形,与CO2激光器和Nd:YAG激光器输出的光斑相比,对间隙具有更强的适应性。因此,在制造业各领域中,HPDDL激光焊接得到了越来越广泛的应用。本文针对该新型激光焊接的工艺特点,建立了HPDDL激光焊接热源及热过程数值分析模型,为实现其工艺参数的优化奠定了基础。为建立HPDDL激光焊接热过程数值分析模型,提出了HPDDL激光焊接的两种热源作用模式:二次函数分布模式和高斯分布模式。根据HPDDL激光长条型光斑的特点,在工件上划分动态非均匀网格,用有限差分的方法对热传导方程进行离散化处理,在Visual Fortran程序语言的平台上编制焊接温度场计算程序,对HPDDL激光焊接准稳态温度场进行数值分析。计算结果表明:所建立的两种热源模型中,二次函数分布的热源模型更适合于HPDDL激光焊接温度场的数值模拟。基于描述HPDDL长条形激光光斑的二次函数热源分布模式,对薄钢板三种工艺条件（1000W、685W、532W）下的焊接热过程进行了数值分析,得出了关于焊缝宽度、熔池形状和热循环曲线的基础数据。结果表明焊缝宽度的计算值与实验测量值吻合较好。根据视觉检测系统拍摄的熔池图像,对数值模拟得到的熔池形状进行了比较分析,并讨论了影响熔池形状的主要因素。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 激光焊接的国内外研究现状
• 1.2.1 激光器发展现状
• 1.2.2 激光器的应用现状
• 1.3 焊接温度场及热源模型研究现状
• 1.3.1 激光焊接温度场的研究现状
• 1.3.3 电弧焊接温度场的模拟
• 1.3.4 存在的问题
• 1.4 本课题的主要工作
• 第2章 HPDDL焊接温度场数学模型
• 2.1 焊接热过程控制方程及边界条件
• 2.1.1 焊接热过程控制方程
• 2.1.2 热传导方程的边界条件
• 2.2 网格划分与动态非均匀网格的生成
• 2.2.1 动态非均匀网格的生成原理
• 2.2.2 动态非均匀网格的生成方法
• 2.2.3 网格分布的计算机绘图
• 2.3 离散化处理
• 2.3.1 工件内节点的处理
• 2.3.2 边界节点的处理
• 2.3.3 对热源作用区域的处理
• 2.3.4 热传导方程的迭代方式
• 2.4 本章小结
• 第3章 HPDDL焊接热源的作用模式
• 3.1 HPDDL激光器介绍
• 3.2 激光器的功率输出
• 3.3 激光光带的热流分布
• 3.3.1 激光光带长度方向热流分布
• 3.3.2 激光光带宽度方向热流分布
• 3.4 热源模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值计算结果与实验验证
• 4.1 工件材料、尺寸及物性参数
• 4.2 HPDDL激光焊接数值计算结果与实验验证
• 4.2.1 激光器输出功率1000W
• 4.2.2 激光器电流变化
• 4.2.3 熔池形状
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表