激光焊接与重熔自由表面温度分布及溶池形状的数值分析

以固液相变的统一模型方程为基础，计算了激光焊接与表面重熔不同加热模型条件下，液态熔池的形成过程，以及温度场和流场。主要考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对自由表面温度分布及溶池形态的影响。结果发现，溶池自由表面温度和溶池形状主要受表面温度分布及熔池形状的影响。结果发现，溶池自由表面温度和溶池形状主要受表面张力驱力的流体流动的影响，它在限制自由表面最高温度方面起飞着主要作用，合金元素汽化热     

激光加工熔池自由液面特性

针对激光加工过程中,熔池自由液面的静态特性,从熔池自由面的表面张力变化入手,应用热焓源项法和多孔介质模型,发展了对金属流体区和固体区统一的数值分析方法,揭示了熔池内部的流动、换热规律和熔池自由面的表面张力分布.通过熔池自由面的静态受力分析,结合熔池内计算结果,分析了对熔池自由面形状的形成.应用该模型对AISI304不锈钢的某一激光加工过程求解,分析了不同加工工艺以及工件物性对熔池自由面形状的影响.     

脉冲激光填丝焊接薄板熔池流动行为分析

本文使用VOF方法对熔池自由表面进行追踪,将焊丝简化为熔滴,建立了脉冲激光填丝焊接薄板三维数值模型,揭示了脉冲激光填丝焊接0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板熔池流动行为,通过焊缝余高尺寸及熔合线形貌验证了模型的可靠性.结果表明,熔滴作用前,熔池上表面区域主要存在由表面张力导致的熔池边缘向熔池中心的流动,最大速度出现在熔池中部且指向熔池下表面,达到了m/s量级;在熔池下表面区域的流动形式是表面张力及熔池中心流动共同作用的结果,在下部形成两个方向相同的涡流;焊丝的熔入对熔池流场有显著的影响,熔滴对熔池的冲击作用改变了熔池原有的对流方向,使表面张力主导的熔池对流特征消失;熔滴熔入过程中熔池最大速度出现在熔滴熔入位置,约为1.74 m/s.在熔滴冲击与熔池表面张力联合作用下,熔池表现出振荡特性,随后熔池内流动再次回到由表面张力驱动的对流形式.激光脉冲结束后,熔池下部固液界面继续向母材区域扩展约3-4 ms,这种现象与激光的脉冲作用、熔池内的流动及Hastelloy C-276的物性参数有关.     

不同工作模式下激光熔化沉积过程熔池演变数值研究

激光熔化沉积工艺中有连续波(continuous-wave,CW)和脉冲波(pulse-wave,PW)两种激光模式.基于Fluent针对熔池瞬态运动和传热传质建立了三维对称数值模型,通过求解VOF(volume of fluid)连续方程追踪沉积层自由表面,分析了不同激光工作模式下熔池的演变过程及上表面波动规律,对熔池尺寸及最大流速、最高温度进行了对比.结果表明:所得模拟结果和实验结果吻合良好.两种激光模式下熔池上表面中部都会经历凹陷-凸起的波动过程,CW模式熔池内部流速变化相比PW模式平稳,后期熔池内部流动呈准稳态,而PW模式下会重复经历熔池形成过程.PW模式下熔池内部最大流速、最高温度呈周期性变化;同时脉冲激光增大了熔池上表面的波动,其上表面波动幅度接近CW模式的1.8倍,而熔池的较大波动可以较好地平衡未熔化的熔渣颗粒.     

金属材料中激光产生熔池的数值模拟及应用

数值模拟了激光与金属铝相互作用的温度场和流场,求解热传递与层流耦合的PDE方程.数值模拟中选取符合实际光束分布的激光参数,考虑了自然对流、表面张力梯度引起的Marangoni对流和热物理参数依赖于温度的实际情况.针对γ/T<0,γ/T>0,γ/T=0等3种不同的表面张力梯度,计算得到了激光产生熔池的温度场、熔池速度场及熔池的形状.研究结果表明,金属材料内的温度场分布与入射高斯光束光强分布具有相似特征;Marangoni对流是熔池内液体流动的主要形式;γ/T的大小和正负对熔池内流体的运动起决定性作用,可对熔池形状产生很大影响,进而影响激光加工的质量.     

钨极惰性气体保护焊熔池三维自由表面特征参数的激光视觉测量

摘要： 针对现有的钨极惰性气体保护焊熔池三维自由表面测量方法难以应用于强弧光、高温辐射、液态金属表面镜面反射等问题,提出一种激光视觉测量法. 利用小功率点或线阵模式结构激光照射覆盖整个熔池表面,采用高速摄像机实时采集经熔池液态金属表面反射畸变的激光图像.设计图像处理算法提取成像激光点位置坐标,建立与投射激光点位置坐标的空间转换数学模型,离线获得熔池三维自由表面的几何特征参数值,对比实测凝固熔池表面对应参数值发现,所提取的几何特征参数值与实测值吻合较好,熔宽、长度和凸度误差分别为0.8%、0.6%和4.7%,证明激光视觉法能够实现熔池自由表面三维信息的动态测量,为采用几何特征参数调整熔池自由表面形貌变化控制焊缝成形及缺陷提供一种新方法.     

铝/钢电弧辅助激光焊接润湿铺展的数值分析

针对铝/钢电弧辅助激光对接焊,根据流体力学基本原理,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由表面,建立焊接熔池的三维数学模型.通过加载激光热源和电弧辅助激光热源,运用FLOW-3D软件求解得到不同热源作用下熔池的温度场、自由表面及界面接触角.结果表明:单激光作用下x轴方向上距激光热源15mm处的金属温度约为500K,熔池温度场分布范围小,液态金属的润湿铺展受限;辅助电弧的引入改善了温度场分布,为液态金属在钢表面的铺展提供较长时间,x轴方向上距激光热源15mm处的金属被电弧再次加热形成面积较大的熔池,促进了液态金属的润湿铺展;与单激光作用相比,当焊接时间t=6s时,在x=45mm处,电弧辅助激光作用下熔池yz面的自由表面变形较大,铝/钢焊接界面接触角较小,液态金属在钢表面的润湿铺展效果较好.     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

氧含量对TIG焊瞬态熔池行为影响的数值分析

建立定点高斯热源作用下TIG熔池的三维瞬态数学模型,考虑焊接熔池内各项散热、焊件内部及表面传热、相变潜热、材料热物理性能参数随温度变化等问题,运用FLUENT软件及其UDF的二次开发功能,模拟不同氧含量对熔池温度场及速度场的影响.结果表明:表面张力温度系数发生转变时的临界温度对熔池温度场和速度场有着决定性影响,该临界温度随氧含量的增加而增加,并且随着氧含量增加逐渐向熔池中心靠近.随着临界温度线的转移,表面张力发生改变,熔池内的Marangoni对流也因此改变,进而使得熔池形貌从低氧含量时浅而宽的形状变成为高氧含量时的深且窄的形状.     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池的流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

环形浅液池内双组分溶液耦合热溶质毛细对流渐近解

采用匹配渐近展开法求解环形浅液池内热溶质耦合毛细对流中心区域渐近解,分析Soret效应和浮力对流动的影响。结果表明,当不考虑溶质毛细力和浓度的不均匀引起的浮力作用时,该解与环形浅液池内纯工质热毛细浮力对流或热毛细对流的渐近解完全一致;在浅液池内,浮力的影响较小,耦合的热溶质毛细力对流动过程起主导作用;当各种耦合的驱动力作用方向相同时,流动加强,相反,一旦存在反向的情况,则流动必然相互削弱。     

激光作用下合金熔池内的熔体流动

从力学角度研究了激光合金化过程中的熔体流动。研究表明激光合金化熔体的流动受控于熔池表面的表面张力梯度的作用和来自熔池水平方向的温差所致的浮力作用。这两个力的作用区域合在合金化溶是有差异的。激光合金化的Ｂｏｎｄ无因次量的分析说明上述两个作用力的强度在同一数量级内，在一定条件下，两者几乎相当。     

脉冲激光表面熔凝熔池演变数值模拟

为了研究脉冲激光作用过程中表面快速熔化与凝固的过程,建立了脉冲激光作用熔池金属熔凝的二维热流耦合模型．考虑重力、材料物性随温度的变化等的影响,利用焓-多孔度方法和用户自定义函数对表面熔化凝固的固液相界面演化进行了分析;采用熔化／凝固模型对熔池内的瞬态温度场、速度场和流场进行了数值模拟,并以实验验证模拟结果．计算结果表明：表面熔化与凝固的固液相界面的移动呈现不同状态;在熔凝过程中,熔池内除存在一对方向相反的主环流外,还存在多个环流;流体的速度随着温度的降低而减小且速度最大的区域位于熔池表面附近．     

激光熔覆产生的熔池温度与对流分析

由激光熔覆产生的熔池的内部存在复杂的传热与传质过程.鉴于熔池的尺度微小以至于难以对其进行实时监控,构建了一个激光熔覆数值模型,对熔池内部的温度分布与对流模式进行了仿真分析.结果表明:熔池的温度梯度非常高,且熔池底部延伸至基体的部分由于高温发生再奥氏体化.熔池内的流体流动主要由Marangoni运动驱动,且熔池内的对流形式为环形对流,最高流速达到0.1m/s.研究结果能够为熔覆层的成型过程及合金粉末在熔池内的传输过程提供理论依据.     

Influence of Flux and Sulfur on YAG Laser Welding

1　IntroductionYAGlaserweldingprocesscanbeconductedbyarobotusinganopticalfibertotransferthelaserenergyontoaworkpieceduetoitssmallwavelength (1.0 6mm ) .ThustheweldingautomationlevelcanbehighlyincreasedcomparedwithCO2 laserwelding .Therefore ,recentlyyears ,YAGlaserweldingprocesshasbeenquicklydevelopedandappliedformanufac turingofautomobileandchemicalvesselsetc .Gener ally ,thepowerofaCWYAGlaserisnotsohigh (sofarupto 10kW )duetoitslowefficiencyofenergyconversion .Whenweldingwithamiddleorl…     

表面蒸发对环形液池内稳态热毛细对流的影响

为了解表面蒸发对环形液池内热毛细对流的影响,对4℃冷水在其纯蒸汽环境中蒸发时的热毛细对流进行了数值模拟。结果表明,表面蒸发质量通量与液池内热毛细对流相互耦合,随着蒸发Biot数的增加,表面温度降低,热壁附近蒸发质量通量增大,但冷壁附近蒸发质量通量与Marangoni数密切相关;当Marangoni数较小时,蒸发界面无因次总蒸发质量随蒸发Biot数的增加而增大,当Marangoni数较大时,总蒸发质量随蒸发Biot数先增大、后减小;随着液池深宽比和半径比的增加,流动增强,总蒸发质量也增加。     

用CW-CO_2激光实现钛-硼表面合金化的机理

用中功率CW-CO_2激光实现了Ti-B表面合金化。以三维无限大热流模型计算了熔区的温度场分布;对合金化过程和特点以及得到的结果进行了分析和讨论;指出了TiB_2作为改善钛表面性能的强化相的强化机制。     

Features of molten pool free surface in laser processing

On the basis of static characteristics of free surface of molten pools in laser processing, starting with the change of surface tension, the uniform numerical models are developed for both the liquid and solid regions of metals by applying the enthalpy source method and the porous region model. The flow and heat transfer characteristics in the molten pools and the distribution of surface tension on free surface are disclosed. The shape of free surface is analyzed by considering the static forces on the free surface and by combining with the calculated results of the molten pool. The model is applied to analyzing the laser processing of AISI 304 stainless steel, and the effects of different processing tech nics and material properties on shaping of free surface are discussed.     

二维方腔内热表面张力流的格子Boltzmann方法模拟

热表面张力驱动的对流是微重力下浮区法晶体生长中熔体最重要的物质与热输运方式。采用单松弛双分布函数格子Boltzmann模型,自主开发了相应的格子Boltzmann方法的串行和MPI并行程序包,并应用该程序包对开口方腔内流体的二维热表面张力对流进行了数值模拟研究。其中串行程序合并碰撞迁移过程和引入临时数组以连续读入分布函数,相比分开碰撞迁移过程,计算性能提高了二倍;在此基础上,采用单向计算区域分区和非阻塞通信模式,实现了MPI版格子Boltzmann并行程序包开发。对比基于传统有限体积法CFD程序计算结果表明,串行和MPI并行版格子Boltzmann程序包计算结果精确可靠;并行程序具有较好的性能。