电子束点焊熔池的液态金属冲刷效应作用规律

为了更深入地探究电子束焊接过程中的机理问题,基于对电子束点焊熔池中液态金属冲刷效应的理论分析,利用边界层理论对该效应进行数学建模.使用有限体积法数值软件Fluent,对20mm厚的2219铝合金电子束点焊熔池的温度场和流场进行三维瞬态数值模拟,研究了液态金属冲刷效应对熔池的作用规律.模拟结果表明,液态金属冲刷效应会对熔池温度场、匙孔稳定性、熔池流场和固液界面形状与位置四个方面产生影响.模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数学模型的合理性.

7N01铝合金电子束定点焊熔池输运现象预测

为有效改善真空电子束焊焊缝成形并抑制成形缺陷产生,本文以12 mm厚7N01铝合金为研究对象,基于CFD软件Ansys Fluent深入分析了电子束定点焊匙孔钻取过程及熔池传热和流体输运现象并进行了实验验证.为真实反映电子束流能量密度空间分布特点,建立了考虑束流活性区特征的自适应热源模型并采用VOF算法对气液界面进行实时追踪.数值分析结果表明,束流能量密度分布及与瞬态熔池/匙孔之间的耦合作用是直接决定焊缝成形良好与否的关键.当束流处于下聚焦模式时,特有的能量分布形式及其诱导的等离子体保温作用、金属蒸汽反冲压力、Marangoni流以及热浮力的耦合向上输运作用(最大流体速度为15 m/s左右),导致最终焊缝余高的形成及钉头区域扩展.由于深度方向上束流能量密度先增加后大幅降低,导致熔深熔宽的增加速度出现类似的演变规律,并且在匙孔底部可能诱发钉尖缺陷的产生.此外,研究还发现,随着匙孔深度增加,能量波动、金属蒸汽反冲压力与表面张力竞争作用逐渐加剧,促使匙孔钻取过程具有周期性.

2219铝合金电子束焊接匙孔演变过程的数值模拟

文中主要借助Fluent软件,基于有限体积离散方法建立了2219铝合金电子束点焊熔池传热、流动和匙孔演变的二维耦合数学模型.在模型中,考虑了表面张力、Marangoni剪切力、流体静压力、金属蒸气反冲压力的作用,并采用VOF(volume of fluid)方法跟踪了匙孔的形成与演变过程.结果表明,反冲压力钻取和涡旋输运的综合作用是匙孔加深的根本原因;沿深度方向热源功率密度的降低会导致前者钻取速度的减小.铝合金的点焊工艺试验表明,数值计算结果与实际吻合较好.

电子束焊熔池温度场及小孔演变的数值模拟

针对2024铝合金电子束定点焊物理输运特点,在质量守恒、动量守恒、能量守恒以及VOF方程的基础上,建立了电子束深熔焊三维数学模型,系统描述了加热阶段以及冷却回填阶段点焊熔池的温度场以及小孔的演变过程,并通过焊缝形貌对比对计算结果进行了试验验证.结果表明,蒸汽反冲压力是小孔形成和加深的主要驱动力;在小孔出现以后,加热阶段的熔池最高温度区间位于瞬态小孔的底部,而当熔池冷却时冷却速度由上至下逐渐增加,并导致了焊缝微观组织的晶粒细化.