激光+GMAW-P復合熱源焊焊縫成形的數(shù)值模擬.pdf

1、激光+脈沖GMAW(pulsed gas metal arc welding，GMAW-P)復合熱源焊作為一種新型的優(yōu)質、高效焊接技術，綜合了激光焊與GMAW-P工藝的雙重優(yōu)點，并具有“1+1＞2”的協(xié)同效應，工業(yè)應用潛力巨大。但目前對該項新技術的研究主要集中于工藝方面，即通過試驗的方法優(yōu)化工藝參數(shù)，而對其過程物理機制方面的研究極少。由于相對于單種焊接工藝，復合焊工藝參數(shù)較多，其物理過程也更加復雜，僅依靠試驗優(yōu)化工藝將需要花費較高的人力

2、物力，不利于復合焊的推廣應用。本文利用數(shù)值模擬技術，通過建立適用的熱源模型對激光+GMAW-P復合熱源焊的焊縫成形和熱場特征進行研究，從而為復合焊物理機制研究及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)，具有重要的學術理論意義和工程實用價值。
　　 根據(jù)激光深熔焊焊縫形狀特征，分析了激光深熔焊熱源作用的特點，將小孔效應體現(xiàn)在熱流密度沿焊件厚度方向的分布上，建立了四種適用的、恰當?shù)募す夂感D體積熱源模型，即熱流峰值指數(shù)遞增-錐體熱源模型

3、、熱流峰值線性遞增-對數(shù)曲線旋轉體熱源模型、熱流峰值線性遞增-拋物線旋轉體熱源模型和熱流峰值雙曲線遞增-雙曲線旋轉體熱源模型。在此基礎上，從宏觀的傳熱過程出發(fā)，對復合焊中來自電弧、過熱熔滴和激光束的熱輸入分別進行描述，提出了四種復合焊組合式體積熱源模型。組合式熱源模型分別將電弧熱輸入、熔滴熱焓和激光熱能描述為雙橢圓熱源、熱流平均分布的雙橢球體熱源和上述四種熱流峰值遞增-旋轉體熱源，并將三部分熱能集成，構成適用的復合焊組合式體積熱源模型。

4、
　　 利用建立的組合式體積熱源，對不同工藝條件下復合焊接準穩(wěn)態(tài)溫度場進行了數(shù)值分析，并計算出復合焊焊縫形狀和尺寸。計算過程中，通過適當調節(jié)熱源分布參數(shù)以間接反映激光-電弧相互作用對熱流分布的影響。結果表明，焊縫形狀尺寸的計算結果與實驗結果總體吻合較好，但熔合線的局部走向仍有一定誤差。針對此問題，對建立的四種復合焊組合式體積熱源進行了如下改進：根據(jù)脈沖電弧的熱作用特點，將復合焊中的脈沖電弧熱能視為兩個分別對應于峰值與基值電流電弧

5、的分布參數(shù)不同的雙橢圓熱源，并通過適當減小焊件上表面電弧作用區(qū)域沿厚度方向的導熱系數(shù)以間接反映電弧間歇性作用的特點。同時，對熔滴熱源和激光熱源的作用區(qū)域也進行了適當?shù)恼{整。利用改進后的組合式體積熱源模型，對復合焊的焊縫形狀尺寸重新進行數(shù)值分析，計算精度大為提高，焊縫形狀尺寸與熔合線走向都與實驗結果吻合良好。
　　 應用已建立的復合熱源焊的組合式體積熱源模型，對激光+GMAW-P復合熱源焊的熱場進行數(shù)值分析，定量研究不同電弧功率對

6、激光+GMAW-P復合熱源焊熱影響區(qū)寬度和熱循環(huán)參數(shù)等熱場特征基礎數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，并與純激光焊、單GMAW-P的情況進行了比較，為從冶金上揭示復合熱源焊的特點奠定了基礎。
　　 為更合理地選定熱源分布參數(shù)，將光線追蹤法與線熱源小孔模型相結合，較詳細和準確地描述了激光束在非對稱小孔內的多次反射過程以及孔壁對光能的Fresnel吸收，研發(fā)出新的小孔形狀尺寸算法。將小孔尺寸與激光焊體積熱源分布區(qū)域相聯(lián)系，提出了基于小孔模型的激光焊體積