奥氏体不锈钢薄板激光焊表面张力驱动熔池形成的数值模拟分析

为探究奥氏体不锈钢薄板激光焊接过程中表面张力对熔池形状、熔池流速、熔池静压的影响,以期优化焊接工艺并提高焊接质量。基于数值模拟分析方法,建立了移动旋转高斯曲面体热源模型,通过改变Marangoni对流系数来模拟不同表面张力条件,分析其对熔池形成过程、熔池形状、流速及熔池内静压力的影响。模拟结果表明,表面张力是影响熔池形态和内部静压力的关键因素,表面张力指向熔池内部,驱动熔池向中心汇聚,从而促进熔池的形成;表面张力的大小与熔池峰值温度、熔深、深宽比呈负相关,与峰值流速、熔宽、熔池内部静压力呈正相关;铜衬底的加入显著增大了过冷度,加速了熔池的冷却,有助于避开奥氏体不锈钢的敏化温度区间。

不锈钢/碳钢TIG焊熔池表面流动行为

为研究异种钢在钨极惰性气体保护焊过程中的熔池表面流动行为,以粒子示踪法为基础,通过激光熔池表面反射的方法,对304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢焊接过程中熔池表面液态金属的流动行为进行了研究,分析了熔池表面示踪粒子的运动趋势,并以此为依据计算了熔池表面液态金属的流动速度.结果表明,在不锈钢/碳钢的TIG焊过程中,熔池表面的液态金属存在从不锈钢侧流向碳钢侧的流动行为.其中,示踪粒子在304不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为25.3 mm/s,在316L不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为21.6 mm/s.

TIG焊熔池表面流动行为的研究

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊熔池表面流动行为,在确定TIG焊熔池表面可采用粒子示踪的方法来进行其表面流动行为示踪的基础上,在以激光为试验背光光源,通过激光在TIG焊熔池表面镜面反射后,使得熔池及示踪粒子清晰成像于成像屏上。在此基础上,开展对304不锈钢和Q235普通碳钢的熔池表面流动行为的试验研究,对所获得这两种材料的TIG焊熔池试验数据进行处理与对比分析,探究熔池表面流动规律。研究结果表明:在TIG焊过程中,其焊接熔池存在两种运动模式,在304不锈钢焊接过程中熔池表面的液态金属由边缘向熔池中心流动;在Q235碳钢焊接过程中熔池表面的液态金属不定向、不规则地由熔池中心向熔池边缘流动,并测量304不锈钢TIG焊过程中熔池表面的液态金属流动速率为12 mm/s左右,Q235碳钢的熔池表面的流动速率为15 mm/s左右。

粉煤灰A-TIG熔池流动行为及焊缝性能分析

采用粉煤灰作为活性剂对Q235钢进行钨极氩弧焊,研究其对熔池流动及焊缝的组织和性能的影响.对Q235钢焊接后在基体上的铺展面积进行了测试;采用点扫描的方法确定了熔池内部不同位置钨粒子的含量;对焊缝的截面形貌、显微组织和性能进行了观察和测试.结果表明,焊缝的深宽比增大,显微组织出现细化;熔池的流动方向发生了改变,即熔池流动方向为从边缘向中心流动;焊缝的显微硬度较无活性剂时有所提高,耐磨性及耐蚀性也得到了一定的提高,冲击吸收功增加.

超高频脉冲电弧焊接熔池金属流动行为

熔池金属流动一方面受电弧行为影响,另一方面与凝固组织形核、结晶过程联系紧密,是电弧焊接基础研究的关键,针对电弧力作用研究了超高频脉冲电弧焊接(UHFPAW,Ultra High Frequency Pulsed Arc Welding)熔池金属流动特点,采用理论研究与试验分析相结合的方式对熔池流动方式、强度、温度分布等要素进行了分析,并完成了液态金属表面运动特征监测.结果表明,超高频脉冲电弧对熔池液态金属的热、力作用显著,表面流体流速大于30 cm/s,UHFP-AW电弧力造成熔池表面沉降变形,引起双环流,熔池温度扩散范围相应减小,有效降低了电弧热量对母材金属的影响,尤其在钛合金焊接中对控制焊缝晶粒尺寸具有重要意义.

表面张力对激光深熔焊熔池流动的影响

为研究激光深熔焊中表面张力对熔池流动行为及熔池形貌的影响,获得活性剂对Q235低碳钢和304L不锈钢焊缝截面形貌的影响规律.基于有限元计算软件Fluent,计算分析了激光深熔焊时表面张力在改变熔池流动行为中的重要作用.结果表明,未添加活性剂焊接时,熔池液态金属的表面张力温度系数为负,熔池表面熔融金属以匙孔为中心由内向外流动,焊缝横截面形貌宽且浅.添加活性剂焊接后,表面张力温度系数为正值,在熔池表面形成了由外向内的反向流动,形成了窄且深的焊缝形貌.随表面张力温度系数绝对值的增大,表面张力变大,流体流动速度增大.

双辊铸轧熔池内钢液流动行为研究进展

综述了双辊铸轧熔池内钢液流场研究的新进展,分析了影响熔池钢液流动的主要因素,包括水口的结构尺寸、熔池液面高度及波动、拉速、注流冲击深度及凝固区紊流状况等。只有对这些影响因素及其交互作用进行综合分析,才能对铸轧熔池的流畅质量进行优化,进而提高薄带质量。

电子束定点焊接304不锈钢熔池流动行为数值模拟

基于电子束焊接过程的传热与受力物理过程分析,建立相应模型,对电子束定点焊接304不锈钢的温度场与流场进行数值模拟,研究电子束焊接熔池流动行为及焊缝成形规律.结果表明,电子束加热阶段,熔池上表面温度梯度达到106K/m,熔池表面峰值温度高,在沸点温度附近波动,强烈的金属蒸汽反作用力成为熔池流动的主要作用力,促使熔池中心下凹并不断波动,熔池冷却凝固阶段,金属蒸汽反作用力下降,熔池金属表面张力梯度引起的Marangoni对流成为熔池金属流动主要驱动力,促使焊缝表面熔宽增大,熔池凝固后焊缝上表面宽度为1.9 mm,中心处宽度为1.6 mm,下表面宽度为1.8 mm.

10mm厚TC11钛合金电子束焊接熔池传热与流动行为研究

采用ANSYS软件中的Flotran模块,建立了基于高斯面热源与峰值热流递增的旋转体热源相结合的新型复合热源模型,合理地模拟了10mm厚TC11钛合金平板的电子束焊接熔池传热与流动行为。结果表明:计算熔池边界与真实焊缝的熔合线轮廓吻合较好,均呈现电子束焊接典型的"钉子形"焊缝。

基于有限元法的双辊铸轧熔池内钢液流动规律的研究

把双辊铸轧熔池看做钢液和大气的两相自由表面流,采用有限元法对钢液的流动规律进行研究,并对比分析自由液面以及铸辊的转动对熔池流场的影响。结果表明,把熔池液面处理成平面时,液面附近钢液的流速计算不真实,计算结果会使得液面处的速度在铸带宽度方向上分布极不均匀,不能用此模型研究熔池的液面波动情况;忽略铸辊的转速有可能导致熔池下部流场形式的变化,会使得下部回旋减弱甚至消失,误差较大。

考虑自由表面的定点A-TIG焊数值分析

根据流体力学基本原理,并用VOF方法追踪自由表面,建立了更接近实际情况的三维定点A-TIG焊熔池数学模型,综合考虑了熔池液态金属所受的浮力、电磁力、电弧压力和表面张力,同时考虑了熔池内液态金属的对流、辐射和热传导,运用FLOW-3D软件求解得到了定点A-TIG焊熔池自由表面、温度场及流场,并重点分析了有、无活性剂时熔池自由表面的变化情况.结果表明,不使用活性剂时,熔池自由表面呈中心下凹、两边凸起的形状;使用活性剂时,表面张力温度系数由负变正,使熔池自由表面呈中心凸起、两边下凹的形状;在焊接电流I≤150 A的条件下,有、无活性剂时考虑自由表面变形情况下温度场、流场及熔池形貌的数值模拟结果与试验结果和不考虑自由表面变形时现有的数值模拟结果基本一致.

高功率激光照射致材料气化与熔池行为

激光深熔焊接小孔内前沿孔壁上的动态行为与焊接小孔的动态波动关系密切。为了进一步探明激光照射在前沿孔壁上产生的物理现象,设计激光倾斜照射在板材上的试验以模拟激光照射在倾斜的小孔内前沿孔壁上的状态。拍摄观察激光照射作用下材料的熔化与气化行为,深入分析熔池流动状态与蒸气特征在不同的激光照射角度与不同的照射能量密度时的变化规律。结果显示,激光照射作用下材料熔化形成的熔池表面易产生波动涟漪,且涟漪产生的频率与移动速度随照射激光功率密度的增加而增加。由于涟漪的存在使得涟漪处局部激光照射倾角发生改变,材料对激光的吸收率大幅提高,局部可产生更多蒸气,在气化反冲作用力下,涟漪可被剥离形成飞溅熔滴。

基于三维重构技术的K-TIG熔池流动表征

采用钛元素示踪方法表征K-TIG焊接430不锈钢熔池流动行为,在完全熔透焊缝中观察到熔池沿板厚方向分为3个区域,包括马兰格尼对流圈、洛伦兹力推动的对流圈及中间过渡区域;未熔透时熔池中只有马兰格尼对流圈及对流圈与熔池边缘之间的区域.基于连续金相切片的三维重构技术建立了熔池小孔附近流动未稳定区的三维模型与未熔透情况下气孔处焊缝的三维模型.观察了K-TIG熔池流动由未稳定过渡至稳定的过程,小孔前壁只有很薄的一层液态金属流动层,液态金属沿小孔侧壁流动至后方熔池中,熔池在小孔后部开始形成马兰格尼对流圈,在小孔形成后一段距离之后,开始形成洛伦兹力推动的对流圈.未熔透时熔池流动行为明显弱于熔透时熔池流动行为,对流流动减弱易于造成气孔的产生.

倾斜基面电弧增材制造熔池形貌演变机制研究

电弧增材制造技术凭借其制造周期短、制造零件无尺寸限制等优点广泛应用于航空航天、武器装备等领域。而电弧增材制造技术实现复杂金属零件直接成形的基础是沉积过程中堆积焊道的形貌具有均匀稳定的重复再现性。但电弧增材制造是一个涉及电场、磁场等多物理场耦合的过程,当金属液滴的沉积行为发生在倾斜基面上,熔池在重力诱导下容易发生失稳流淌,造成非对称的焊道形貌,降低零件的成形精度。基于此,本文采用实验与仿真结合的方法开展电弧增材制造过程中非对称熔池的诱发机理与熔池形貌演变机理研究,探究倾斜基面上焊道形貌的成形规律。研究发现,随着基面倾角的增加,焊道偏移量逐渐增大(0、0.4549、1.9374、2.3319 mm),熔池深度逐渐减小(1.935、1.763、1.684、1.576 mm),成形焊道非对称程度逐渐增加;进一步基于实验及数值仿真的方式研究了沉积过程中非对称熔池形貌的演变规律,揭示了重力诱导下表层金属流体的不对称流动是导致焊道形貌恶化的诱因,为后续非对称焊道形貌抑制方法的研究及三维复杂金属构件的高质量成形提供指导。

不锈钢激光深熔焊熔池动态行为数值模拟

考虑激光深熔焊过程中存在对流、辐射、热传导等传热过程以及蒸汽反冲作用力,表面张力,热浮力等力学过程,采用移动旋转高斯体热源来简化焊接的热过程,使用VOF方法跟踪自由界面,通过焓孔隙法实现焊接过程的凝固熔化,同时采用连续表面张力模型将蒸汽反冲作用力转化为在一定厚度上连续的作用力。建立数学模型,获得了奥氏体不锈钢深熔焊接过程中动态熔池的温度场以及流场分布。结果表明小孔存在周期性的震荡,小孔壁面在蒸汽反冲作用力、表面张力、流体静压力下形成凸台。凸台再随着小孔周期性的震荡则会形成气孔,产生缺陷。焊接试验的焊缝横截面熔合线同模型计算结果相吻合,验证了模型的可靠性。

焊接速度对高速激光焊熔池流动行为的影响

高速激光焊的多种典型缺陷形成都与熔池流动有关,深入了解熔池流动行为有助于理解高速焊缺陷的形成机理。采用光纤激光进行高速焊接试验,分别研究在功率和热输入一定的条件下焊接速度对熔池流动行为的影响。采用高速摄像实时观察熔池表面的流动行为,通过Ti示踪元素考察熔池内部的流动行为。结果表明,焊接速度提高,熔池表面液态金属向熔池尾部流动的距离增加,熔池内部的中心部位液态金属向熔池底部和尾部流动的距离增加,熔池内部边缘处液态金属流动受焊接速度的影响较小。提高焊接速度,金属蒸气喷出方向与熔池表面的夹角减小,金属蒸气对小孔后沿冲击力的水平分量增大,导致熔池表面液态金属向熔池尾部流动的驱动力增大,流动距离因而增加。

脉冲激光填丝焊接薄板熔池流动行为分析

本文使用VOF方法对熔池自由表面进行追踪,将焊丝简化为熔滴,建立了脉冲激光填丝焊接薄板三维数值模型,揭示了脉冲激光填丝焊接0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板熔池流动行为,通过焊缝余高尺寸及熔合线形貌验证了模型的可靠性.结果表明,熔滴作用前,熔池上表面区域主要存在由表面张力导致的熔池边缘向熔池中心的流动,最大速度出现在熔池中部且指向熔池下表面,达到了m/s量级;在熔池下表面区域的流动形式是表面张力及熔池中心流动共同作用的结果,在下部形成两个方向相同的涡流;焊丝的熔入对熔池流场有显著的影响,熔滴对熔池的冲击作用改变了熔池原有的对流方向,使表面张力主导的熔池对流特征消失;熔滴熔入过程中熔池最大速度出现在熔滴熔入位置,约为1.74 m/s.在熔滴冲击与熔池表面张力联合作用下,熔池表现出振荡特性,随后熔池内流动再次回到由表面张力驱动的对流形式.激光脉冲结束后,熔池下部固液界面继续向母材区域扩展约3-4 ms,这种现象与激光的脉冲作用、熔池内的流动及Hastelloy C-276的物性参数有关.

光丝距对激光-电弧复合焊接熔池表面流动的影响

在焊接过程中,熔池的流动特征与气孔、咬边等缺陷密切相关,对熔池的结晶过程以及焊缝成形也有重要影响。以低合金高强钢为研究对象,通过钻孔填埋ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机记录匙孔位置、电弧形态及熔池的流动特征,研究了不同光丝距下激光-电弧复合焊接熔池表面的流动规律。结果表明:当光丝距为1 mm时,匙孔位置不稳定,发生了漂移现象,示踪粒子绕过电弧作用区后沿中轴线流向后方;当光丝距增加至3 mm时,匙孔位置相对稳定,但示踪粒子在流动过程中出现了典型的卡门涡街现象;随着光丝距进一步增加至5 mm时,匙孔位置稳定,但示踪粒子在流经激光与电弧中间区域时出现了停滞现象,此条件下示踪粒子的运动距离最大。通过对比三种光丝距下的焊缝截面形貌可以发现:当光丝距为1 mm时,焊缝底部存在气孔缺陷,这是光丝距过小导致匙孔不稳定而造成的工艺性气孔;当光丝距为5 mm时,两热源间距过大,导致两热源的耦合效率下降,熔深显著减小;当光丝距为3 mm时,焊缝无缺陷,且熔深最大。

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明:单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。

基于定量分析方法的焊接位置对激光焊接熔池流动行为影响规律的研究

激光熔池流动模式和熔池流动特征决定了焊缝成形和焊接缺陷的分布,因此研究不同焊接位置对激光焊接流动行为的影响对优化焊接位置和焊接参数具有重要意义。采用1.5kW板条型CO_2气体激光进行了平焊和立焊向上、立焊向下等不同焊接位置下的焊接试验,并采用高速摄像对其熔池小孔特征进行了监测,再采用粒子图像测速(PIV)方法对熔池流动特征进行了定量表征和分析。明确了激光焊接时的熔池流动模式,在熔池区域存在着两个大的涡流区域,分别在熔池周围和在熔池的尾部。与立向上焊相比,激光立向下焊的熔池形状呈扁圆形,宽度增加而长度减少,小孔的面积增加,其熔池流动的脉冲特征减弱,熔池流动的稳定性增加。这与立向下焊时熔池上方液态金属受重力影响向下流动,与下方液态金属受蒸汽反冲压等驱动向上流动,两者相遇产生的强烈搅拌作用有关。这为理解不同焊接位置不同的焊缝成形和气孔率差异提供了依据。