發(fā)布時間：2020-06-10 14:38

【摘要】：隨著空間技術(shù)的發(fā)展,空間任務(wù)對空間建造、維修和維護(hù)技術(shù)提出了迫切需求。發(fā)展太空焊接技術(shù)有助于提升空間建造、維修和維護(hù)的能力。太空特殊環(huán)境因素中,微重力環(huán)境對熔化焊接影響最大;地面眾多焊接方法中,電子束焊接方法的空間適應(yīng)性最好。本文針對太空焊接,開展1G與0G重力水平下焊接熔池行為與熔滴過渡數(shù)值模擬研究。首先開發(fā)電子束焊接多物理場數(shù)值模擬模型,實(shí)現(xiàn)電子束發(fā)射、傳輸、電子束與工件作用、熔池內(nèi)部熱流耦合過程的電子束焊接全流程模擬。通過1G重力下的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性,評價模型的計算精度。將模型應(yīng)用于電子束熱導(dǎo)焊、電子束深穿焊及電子束填絲焊接熔滴過渡行為的數(shù)值模擬,揭示0G重力對電子束焊接過程的作用機(jī)制。電子束焊接多物理場數(shù)值模型由電子束焊接動態(tài)面熱源模型與電子束熔池流場模型兩部分構(gòu)成。對電子槍開展電子光學(xué)計算獲取了電子束徑向能量分布函數(shù)。通過電子束與工件相互作用計算,獲得了電子束能量利用效率及電子束在工件內(nèi)的穿透深度。利用熔池自由液面跟蹤方法,將模擬得到的徑向分布的電子束能量動態(tài)施加到熔池表面電子束作用層內(nèi),從而建立了動態(tài)分布的電子束面熱源模型。在電子束焊接熔池流動行為數(shù)值模型中,引入熔池凝固收縮模型,建立了焊接熔池空化與氣泡模型、三維金屬蒸汽反作用力模型和鋁合金熔池氧化膜作用力模型。采用熔池上限溫度模型取代空化模型,解決了計算穩(wěn)定性問題。采用建立的電子束焊接多物理場數(shù)值模型,開展1G重力下純鋁、304不銹鋼與QCr0.8銅合金電子束焊接熔池流場計算,并與相同條件下的工藝試驗(yàn)進(jìn)行對比。三種材料的焊縫正面與背面熔寬、正面與背面成形、熔合線形貌均與1G重力下的工藝試驗(yàn)相吻合,證明了模型的可靠性。電子束恒定加熱時長為0.5s的純鋁工藝試驗(yàn)與數(shù)值計算的焊縫正面寬度分別為5.5mm和5.6mm,背面寬度分別為4.7mm和4.5mm。與1G重力相比,0G重力水平下電子束熱導(dǎo)焊熔透熔池的下塌量小,熔池?zé)╋L(fēng)險小,對開展焊接有利,而0G重力對未熔透焊縫的成形影響不大。0G重力影響熔池流動的主要機(jī)制在于自然對流與流體靜壓力引起的熔池下垂消失。1G重力水平下自然對流強(qiáng)度隨工件厚度增加而增大,流體靜壓力引起的熔池相對下垂量隨熔池半徑的增加而增大。依據(jù)小Bond數(shù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),1G重力水平下,純鋁工件厚度為h=2mm、熔池半徑rm=3mm時,浮力引起的熔池內(nèi)最大流動速率為Marangoni對流的8.68%,熔池相對下垂量為3.5%�？稍诘孛骈_展板厚小于2mm、熔池半徑小于3mm的純鋁電子束焊接小Bond數(shù)試驗(yàn),研究0G重力的電子束焊接焊縫成形。電子束深穿焊焊接時,金屬蒸汽反作用力排出熔池金屬形成匙孔。匙孔前壁熔化金屬在表面張力梯度驅(qū)動下向上方和后方流動,匙孔壁面凸起處在金屬蒸汽反作用力作用下向底部流動。匙孔壁面的波動以及向上與向下流動的匯合促進(jìn)了匙孔壁面碰撞形成氣泡。熔池氣泡會阻止電子束對熔池底部的加熱,使得焊縫底部易形成鋸齒形焊縫、釘尖、冷隔等缺陷。氣泡受熱膨脹能夠排出熔池底部液態(tài)金屬,氣泡破裂后電子束對熔池底部加熱,熔深迅速增加。0G重力水平下流體靜壓力消失,降低了金屬蒸汽反作用力或氣泡膨脹排出熔池底部液態(tài)金屬的難度,促進(jìn)了熔深增加,對電子束深穿焊接有利。上限溫度Tp=2800K,電子束功率Pw=3.6k W,鎂含量為ωMg=4at%時,鋁合金板厚3mm,0G重力下電子束在te=7.5ms時鋁合金板熔透,而1G重力下te=7.5ms時熔深為板厚的75.7%。0G重力水平下電子束焊絲無法直接送入電子束下方,通過電子束偏轉(zhuǎn)填絲焊工藝與插入過渡模式可實(shí)現(xiàn)0G重力水平下電子束填絲焊接熔滴的穩(wěn)定過渡。
【圖文】：

圖 1-1 人類首次外太空艙外焊接試驗(yàn)[7]Fig.1-1 The first human extravehicular welding experiment[7]國于 20 世紀(jì) 60 年代設(shè)計了宇航員手持電子槍，開始了太空電工作。1973 年，NASA 開發(fā)了用于 Skylab 空間站的設(shè)備開展了切割與熔化金屬試驗(yàn)[14, 22]，，證實(shí)了電子束對長期空間運(yùn)行結(jié)構(gòu)

拋物線飛行階段[43]
【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】：2018
【分類號】：TG456.3

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本文編號：2706432