高功率激光深熔焊保护气流动行为及其对焊接气孔形成的影响研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1 研究背景

自20世纪60年代高功率气体和固体激光诞生以来,激光在材料的连接中开始起到重要作用,激光焊接技术便随之应运而生[1]。几十年来,高性能激光器应用范围不断扩大,高功率激光器带动激光焊接取得了巨大的飞跃。相比于传统焊接技术,激光焊接已显示出焊接变形小,焊接精度高,焊缝成型好,适用于柔性制造等诸多优点,目前被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

高功率激光焊接在厚板焊接中尤其展现出优越性,它与低功率激光焊接相比有更大的能量密度,具有巨大的发展前景以及研究意义。但高功率激光焊接也不可避免的存在一些缺点,由于其焊接过程中熔池的强烈蒸发及反冲压力对流场和小孔的扰动,导致小孔极不稳定,并且熔焊过程中的传热与液态金属流动会影响熔池的形状与尺寸、温度分布、凝固冷却过程以及焊缝与热影响区的组织演变,进而使整个焊接过程都处在不稳定的状态中,因此在高功率激光焊接中气孔,驼峰,咬边等缺陷尤为明显,这些缺陷成为高功率激光焊接发展中的阻碍,仍需进一步的研究解决[2]。何文佩等人[3]指出侧吹气流除了能够隔绝空气,抑制等离子体的产生,还能够在一定条件下减少焊接气孔,改善焊接质量。Seto N等人[4]从等离子体和小孔行为方面研究了保护气体对气孔形成的影响。如图1-1所示为氮气在抑制如下三种合金的焊接气孔方面的影响。还有许多学者在类似的方面也做过类似的研究[5,6]。所以对侧吹气流进行研究就显得尤为重要。通过对保护气流下高功率激光焊接过程进行研究,可以获取小孔的动态行为特征与光致等离子体对焊接过程的影响,进而揭示侧吹气流对焊接的作用机理及与焊接气孔形成影响,改良焊接工艺,提高焊接件的质量。

图1-1 氮气保护气对气孔抑制的影响

1.2 研究目的及意义

基于1.1中所述的背景,本次毕业设计对高功率激光焊接过程中小孔动态行为开展一系列的实验与模拟研究,通过实验观察熔池和小孔变化行为,以及焊缝内的气孔分布情况,再深入研究高功率激光焊接过程中侧吹保护气与金属蒸汽流动的物理过程,耦合多相流与湍流模型,基于FLUENT仿真软件,建立激光焊接保护气与金属蒸汽间湍流扩散模型。对比实验和模拟数据,得到小孔稳定性的条件并分析如何改变侧吹气流参数以达到减少焊接气孔的目的,以期获得良好的焊接质量,为高功率激光焊接中减少焊接缺陷提供理论指导和技术方案。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 激光焊接熔池小孔动态行为的研究现状

在激光和电子束焊接中,由于蒸发的强烈反冲压力,在熔池中形成一个称为小孔的深腔[7]。小孔内金属蒸汽在激光作用下电离产生光致等离子体,小孔和等离子体改变了激光能量的吸收机制,孔内的高温等离子体由于逆韧致辐射吸收大量激光能量,并传递给小孔,影响焊接过程,大大增加了熔深[8]。可以认为,焊缝的质量从根本上讲是由熔池和小孔行为决定的,小孔的动态行为能够反应出焊接的熔透型,小孔和熔池稳定则整个焊接过程稳定[9,10]

由上述可以看出,熔池与小孔行为是激光焊接的最重要的特征,国内外许多研究人员通过一系列实验和数值模拟,对激光焊接中的孔内金属蒸汽、小孔波动性、熔池形貌、熔池中的液态金属流动等等进行了深入的研究。Xu等人[11]利用高速摄像机,通过玻璃观察激光焊接实验中的小孔和熔池流动,高速摄像图像显示,小孔的剧烈波动是气泡形成的主要原因,并且气泡之间会合并形成更大的气泡。Wang等人[12]通过分析激光-MAG复合焊接工艺的视觉特征,揭示了小孔开闭的机理,结果表明,在一般深熔焊过程中,MAG熔滴过渡直接影响小孔底部的稳定开闭状态,而在超深熔焊和部分熔透焊接中会出现孔底不稳定的开闭状态,此分析方法可用于激光-MAG复合焊接过程中小孔稳定性的监测。Yang等人[13]通过数值模拟研究了铝合金T型接头双面激光焊接过程中小孔状态对熔体流动的影响,当小孔状态从完全连接变为完全分离时,小孔上方的对流消失,形成涡流,同时,小孔下方的涡流变得更加复杂。

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