本文選題：鋁合金　切入點：電子束深熔焊　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：電子束深熔焊具有能量密度高、焊縫深寬比大、變形小及接頭性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于大厚度鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接制造。如何保證大厚度鋁合金板電子束焊縫成形質(zhì)量,成為人們關(guān)注的焦點。眾所周知,熔池傳熱、流體流動及匙孔演變行為是決定焊縫成形質(zhì)量的關(guān)鍵,而這方面的理論研究卻非常少且很不深入。為此,本文通過數(shù)值計算及實驗驗證來研究電子束深熔焊接過程的熔池行為,并在此基礎(chǔ)上獲得焊縫成形機理及規(guī)律,這對于豐富尚不完善的理論體系及保證焊縫成形質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。在深入了解電子束焊熔池物理輸運現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,分別建立了耦合熔池?zé)崃鬏斶\及匙孔演變過程的2219鋁合金厚板定點焊及連續(xù)焊過程的三維數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電子束散射特性及能量沉積特點,并結(jié)合VOF追蹤算法及熱焓-孔隙率法,提出了能自動追蹤匙孔輪廓并確定電子束加熱深度的自適應(yīng)熱源模型。該模型由蒸汽輔助熱源與高斯形式表面熱流組成。采用該自適應(yīng)熱源模型,并結(jié)合多種流體驅(qū)動力如金屬蒸汽反沖壓力、表面張力、Marangoni剪切力以及流體靜壓力等,詳細描述了真空環(huán)境下瞬態(tài)熔池的傳熱、多種流態(tài)流體的輸運及匙孔演變過程,如匙孔鉆孔、穩(wěn)定、回填及塌陷等物理現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,對定點焊及連續(xù)焊焊縫成形機理進行闡述。整個數(shù)學(xué)建�；贏NSYS FLUENT流體動力學(xué)軟件,借助于用戶自定義函數(shù)UDF進行編程,以源項形式添加熱源、散熱等能量邊界條件以及各種流體驅(qū)動力等動量邊界條件,使用有限體積法對控制方程進行數(shù)值離散,并采用PISO算法實施數(shù)值求解。基于所建立的熱流耦合數(shù)學(xué)模型,系統(tǒng)分析了不同束流規(guī)范下點焊縫的成形機理,包括釘頭、釘身、“火山口”弧坑及釘尖缺陷的成因等。研究表明,釘頭區(qū)域的形成源于Marangoni剪切力導(dǎo)致的增強熱傳遞及金屬蒸汽對匙孔開口的保溫作用;釘身區(qū)域的形成源于金屬蒸汽反沖壓力的鉆孔作用;“火山口”弧坑的形成源于回填流體慣性流動過程中突出隆起的回落作用。與此同時,研究發(fā)現(xiàn)隨著束流的增加,它們的尺寸都呈增加趨勢。此外,研究還發(fā)現(xiàn)釘尖缺陷的形成與匙孔深度、匙孔塌陷過程以及束在匙孔底部停留時間密切相關(guān)。隨著匙孔深度增加,它的不穩(wěn)定性增加,因此越容易在底部塌陷并將難以逃逸的金屬蒸汽捕獲形成大的空腔;加之電子束在匙孔底部停留時間過短,周圍液態(tài)金屬量少,難以對空腔進行充分補縮,從而導(dǎo)致了釘尖缺陷的形成�；谒⒌臒崃黢詈蠑�(shù)學(xué)模型,系統(tǒng)分析了不同束流規(guī)范下連續(xù)焊縫的成形機理,包括熔深、熔寬以及余高的成因。其中,熔深和熔寬的成形機理與點焊過程十分類似。余高的形成則是蒸汽反沖壓力誘導(dǎo)的“流態(tài)Ⅲ”、“流態(tài)Ⅵ”以及表面張力誘導(dǎo)的“流態(tài)Ⅴ”綜合作用的結(jié)果。研究表明,隨著束流的增加,“流態(tài)Ⅲ”和“流態(tài)Ⅵ”向熔池后上方頂部表面輸運堆積發(fā)生體積膨脹的金屬量要明顯高于“流態(tài)Ⅴ”遷移的金屬量,從而導(dǎo)致焊縫余高凸起的增加。在研究定點焊及連續(xù)焊物理輸運現(xiàn)象的過程中,還揭示了一些特征物理量如最高蒸氣壓及最高匙孔壁溫的演變規(guī)律。研究表明,電子束熱流在深度方向上的衰減分布是導(dǎo)致這種演變趨勢的內(nèi)因。研究還發(fā)現(xiàn),所有束流規(guī)范下最高蒸氣壓的幅值都小于1 atm,對應(yīng)的最高匙孔壁溫也都小于1 atm對應(yīng)的材料沸點,在此基礎(chǔ)上分析和闡述了電子束焊與激光焊以及等離子弧焊接過程的不同。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG457.14

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本文編號：1657787