基于力学平衡条件电子束焊接匙孔形态的研究

论文摘要

匙孔形态的研究是电子束焊接研究的难点之一。本文在电子束焊接匙孔壁面受力平衡研究基础上,分析了匙孔壁面金属蒸发情况,以及金属蒸气分子在真空室内的分布规律;建立了电子束焊接过程温度场、熔池流场、匙孔形态演变耦合分析的数值计算模型。匙孔形态以及与之密切联系的金属蒸发、熔池流动的研究对于电子束焊接质量控制有着重要意义。受力平衡研究表明,在电子束焊接过程中,匙孔壁面法向主要受金属蒸气反冲压力、表面张力附加压力、流体静压力、熔池旋转向心力的作用;匙孔动态平衡时,法向上受力平衡;金属蒸气反冲压力和匙孔壁面表面张力是维持匙孔动态平衡的主要作用力。金属蒸发研究表明,电子束焊接过程中,匙孔底部金属蒸发速率最大,相应的金属蒸发热损失在匙孔底部达到最大值;金属蒸气分子集中分布于电子束与工件相互作用区域的小尺寸范围内,且随轴向、径向尺寸的增加而迅速减少。以匙孔壁面力学平衡条件为基础,结合金属蒸发的研究,建立了电子束纵向穿透过程数学模型,并对电子束焊接过程中热量传递、匙孔形态演变以及熔池流动特征进行了耦合模拟,通过焊接试验对模型合理性进行了评判。在该模型中,采用VOF(Volume of Fluid)方法实现了对匙孔形态变化的跟踪。结果表明,电子束焊接过程中驱动液态金属流动有三方面作用机制。一是与金属蒸发相关的金属蒸气反冲压力的驱动;二是与表面张力有关的附加压力以及Marangoni剪切力的驱动;三是熔池与工件的相对运动的驱动。三种驱动机制的共同作用导致了熔池内部复杂的流动特征。电子束焊接过程中匙孔形态的波动易造成钉尖、气孔缺陷。验证试验中,温度场计算结果与焊缝截面尺寸吻合良好,示踪试验结果也与熔池流场的计算结果吻合,证明了模型的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高能束焊接匙孔壁面受力研究现状
• 1.3 高能束焊接金属蒸发及蒸气分子流动研究现状
• 1.4 高能束焊接匙孔演变及熔池流动研究现状
• 1.5 课题研究内容
• 第2章 数值模拟方法与验证试验
• 2.1 数值模拟方法
• 2.1.1 DS2V 简介
• 2.1.2 有限元方法简介
• 2.2 验证试验
• 2.2.1 试验材料与设备
• 2.2.2 试验方案
• 2.2.3 分析测试方法
• 第3章 电子束焊接匙孔壁面受力研究
• 3.1 匙孔壁面受力分析
• 3.2 匙孔壁面受力平衡方程的表达
• σ具体表达式'>3.2.1 P_σ具体表达式
• c 具体表达式'>3.2.2 P_c具体表达式
• g 具体表达式'>3.2.3 P_g具体表达式
• 3.3 匙孔壁面受力分布规律
• 3.4 本章小结
• 第4章 电子束焊接匙孔壁面金属蒸发研究
• 4.1 电子束焊接过程中金属蒸发的研究
• 4.1.1 凝结速率的计算
• 4.1.2 蒸发速率的计算
• 4.1.3 净蒸发速率的计算
• 4.2 金属蒸气分子流动速度
• 4.3 金属蒸气在真空室中分布模拟
• 4.3.1 物理模型的建立
• 4.3.2 计算步骤及结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 匙孔形态与熔池流动数值模拟研究
• 5.1 数学模型
• 5.1.1 控制方程组
• 5.1.2 匙孔壁面追踪算法
• 5.1.3 边界条件
• 5.1.4 计算流程
• 5.2 计算结果分析
• 5.2.1 温度场结果分析
• 5.2.2 熔池流动特征分析
• 5.2.3 匙孔形态变化
• 5.3 数学模型的试验验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录