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清华大学学报(自然科学版)2007年第47卷第8期
JTsinghuaUniv(Sci8乙Tech),2007,V01.47,No.8
11—2223/N
激光一等离子弧复合焊熔池的流动特性
李志宁1,
都
东1,
常保华1,
陈俐2
(1.清华大学机械工程系,教育部先进成形制造重点实验室,北京100084;2.北京航空制造工程研究所,北京100024)
摘
要:为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池的流动特
弧作为第二热源与激光复合可以实现薄板的高速和精密焊接,其优点已经被试验证实心j,但当前对于影响复合焊接质量的熔池流动和传热特性研究较少。文[3]依据试验现象推测出熔池中电磁力是造成
性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区4的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。
关键词:激光一等离子弧复合焊接;熔池;对流传热;数值模
拟;铝锂合金
中图分类号:TG
402
复合焊熔池加深以及在焊接方向上变长的原因。由
于试验手段的限制,仅利用试验很难对影响熔池流动和传热特性的不同因素进行分析和比较。许多学
者利用数值分析方法分别研究了激光焊、电弧焊熔
池中表面张力或电磁力对流动的影响规律,但是二
者共同作用下对复合焊接熔池流动的作用研究则鲜
文献标识码:A
有报道。文[4]对激光一MIG复合焊接不锈钢的流动和传热过程进行了建模和分析,而激光一等离子弧复合焊接的相关研究尚未见报道。
本文首先建立复合焊液相区、糊状区和固相区
统一的三维数学模型,采用了体热源和面热源相结
文章编号:1000—0054(2007)08一1263一04
FlowpatternsintheweldpoOlduring
laser—plasmahybridwelding
LI
合的方法来模拟双热源的作用,对1420铝锂合金激
Li
2
Zhinin91,DUDon91,CHANGBaohual,CHEN
Materials
of
光一等离子弧复合焊熔池的流场和温度场进行了数
(1.Key
of
LaboratoryforAdvanced
ProcessingTechnology
Engineering,
值计算,重点研究了表面张力流和电磁力流对复合焊熔池流动和传热的影响,其结果可为激光一等离子
弧复合焊接工艺参数的合理选取提供依据。
MiⅡistryofEducation,Dep8rtment
Tsinghua
MechanicaI
UniVersity,Beijing100084,China;
TechnoIogyResearch
2.BeijingAeronauticMaⅡufacturing
Institute,BeijinglO0024,China)
Abstract:Theeffectofsurfacetensionandtheelectromagneticforce
on
1数学模型建立
1.1分析对象和假设
图1为激光一等离子弧复合焊熔池模型,假设热
源作用在图1中的坐标系原点。熔池关于中心面对
theflow
ina
1aser—plasmahybridweld
a
pool
wasinvestigated
numericaUyusingzone,mushyby
a
zone
three—dimensionalmodelthatincludedthellquid
zone.
ands01idheat
ThekeyholeeffectwassimulatedThe
velocity
and
temperature
volume
tension
can
volumetric
source.
distributionsintheweldmethod.
The
simulation
p001
are
calculatedshow
that
bythefinitethe
surface
results
称,计算时只取工件的一半分析。
模型中熔池内流动驱动力包括:表面张力,熔
determinestheflow
pattern
whiletheelectromagnetic
p001.
a
force
widenthebottom
agree
on
surfaceoftheweld
Thepredictedresults
wellwithexperimentalresultsfor
Al—LiaUoy.
hybridweldingexperiment
1420
收稿日期:2006一09—27
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20050003041);
国防科技重点实验室基金项目(514610105005Jwl20);清华大学先进成形制造教育部重点实验室开放基金项目
(2006010)
Keywords:1ase卜plasmahybridwelding;weldingpool;conVection
heattransfe。;numericalsimulation;Al—Lialloy
激光一电弧复合焊接技术是材料加工领域的前沿方向之一[1]。采用能量密度高、指向性好的等离子
作者简介:李志宁(1972一),男(汉),河北,博士研究生。通讯联系人:都东,教授,E—mail:dudong@mail.tsinghua.edu.cn
万方数据
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