钢/铝异种金属激光深熔焊过程中熔池行为及机理研究

发布时间：2022-02-19 21:14

　　车身上使用钢/铝结构件实现汽车减重成为当前汽车技术的前沿和热点,激光深熔焊具有能量密度高、焊接过程稳定等优点,成为钢/铝结构件的重要连接方法,但钢/铝异种金属在激光深熔焊过程中涉及多种物理现象,熔池中小孔的形成、不同金属混合区热力学性能参数的处理及固/液/气多项耦合动力学行为的作用机制,目前尚不清晰。为了解钢/铝焊接过程中温度场分布及熔池中流体的动力学行为,本文选取车用DP590双相钢和6016铝合金作为研究对象,基于钢上/铝下搭接激光深熔焊接试验观测的熔池形貌,利用多物理场分析软件Comsol Multiphysics5.3建立钢/铝异种金属焊接二维数值模型,考虑焊接过程中产生的反冲压力、表面张力及Marangoni对流对熔池流体流动的影响,采用连续函数处理Fe/Al混合区的热力学性能参数,使用水平集的方法捕捉小孔自由界面,利用Comsol软件中的流体传热和层流模块中的水平集方法模拟小孔的瞬态形成过程,使用带EBSD和EDS探头的扫描电镜和光谱仪研究焊接接头的相组成、元素分布以及焊接光谱,研究不同焊接工艺参数和物理驱动力熔池温度场和流动行为的影响,分析熔池温度场分布、小孔形成及能量传... 

【文章来源】：湖南大学湖南省211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：88 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
符号表
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 小孔传热行为与形貌研究现状
    1.3 气/液界面追踪技术
    1.4 异种金属激光焊接熔池动力学行为研究
    1.5 本文研究的主要内容
第2章 激光深熔焊过程中物理学分析基础及试验设备与方案
    2.1 激光深熔焊的传热传质过程及理论
        2.1.1 热作用阶段
        2.1.2 表面熔化阶段
        2.1.3 气化阶段
    2.2 激光焊接的熔池流动过程
    2.3 激光焊接熔池中流体的作用力
        2.3.1 熔池的表面张力
        2.3.2 熔池的热浮力
        2.3.3 熔池的反冲压力
    2.4 激光深熔焊熔池流体力学基本方程
    2.5 试验材料
    2.6 试验设备
        2.6.1 光纤激光器
        2.6.2 焊接机器人
        2.6.3 光谱仪
    2.7 试验方案
        2.7.1 孔外金属蒸气光谱试验
    2.8 检测方法
    2.9 本章小结
第3章 激光深熔焊过程中的数值计算与分析
    3.1 Comsol Mutiphysics5.3软件的基本介绍
        3.1.1 软件介绍
        3.1.2 软件的特点和功能
        3.1.3 软件的应用
    3.2 模型的基本假设
    3.3 双相钢和铝合金熔化时的固/液界面处理模型
        3.3.1 Fe/Al混合界面处的热力学参数处理方法
        3.3.2 钢和铝固/液两相连续模型
        3.3.3 钢和铝固/液界面控制方程
    3.4 气/液界面追踪模型
        3.4.1 异种金属激光焊接过程中的Level-Set模型
        3.4.2 气/液两相连续模型
        3.4.3 气/液界面质量守恒方程
        3.4.4 气/液界面动量方程
        3.4.5 气/液界面能量方程
        3.4.6 小孔壁面受力分析
    3.5 物理模型边界条件
        3.5.1 小孔气/液界面边界条件
        3.5.2 小孔气/液壁面边界条件
        3.5.3 小孔界面速度边界条件
        3.5.4 小孔自由界面法向压力边界条件
        3.5.5 Comsol软件建立异种金属焊接小孔数学模型
    3.6 热-流耦合数学模型的验证
    3.7 激光深熔焊过程中熔池的温度场和流场特征
        3.7.1 熔池的温度场特征
        3.7.2 熔池的流场特征
    3.8 本章小结
第4章 不同焊接工艺参数以及Maraongoni对流对熔池温度场的影响
    4.1 不同焊接工艺参数对熔池温度场的影响
        4.1.1 焊接功率对熔池温度场的影响
        4.1.2 焊接速度对熔池温度场的影响
        4.1.3 添加粉末对熔池温度场的影响
    4.3 不同Marangoni系数对熔池温度场的影响
    4.4 焊接接头的EBSD分析
    4.5 本章小结
第5章 不同焊接工艺参数以及物理驱动力对熔池行为的作用机理
    5.1 不同焊接工艺参数对熔池流场的影响
        5.1.1 焊接功率对熔池流场的影响
        5.1.2 焊接速度对熔池流场的影响
        5.1.3 添加粉末对熔池流场的影响
    5.2 熔池驱动力对熔池行为的影响
        5.2.1 不同Marangoni系数对流场的影响
        5.2.2 反冲压力对熔池流动的影响
    5.3 焊接接头能谱(EDS)分析
    5.4 添加粉末对金属蒸气光谱的作用
    5.5 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及专利


【参考文献】：
期刊论文
[1]熔焊热过程与熔池行为数值模拟的研究进展[J]. 武传松,孟祥萌,陈姬,秦国梁.  机械工程学报. 2018(02)
[2]焊接熔池流体动力学行为的数值模拟和实验研究[J]. 史平安,万强,颜怡霞,沈显峰.  材料热处理学报. 2017(08)
[3]激光深熔焊熔池三维瞬态行为数值模拟[J]. 夏胜全,何建军,王巍,吕学超,张彤燕.  中国激光. 2016(11)
[4]添加Sn-5%Zr粉末对激光焊接钢/铝显微组织和性能影响[J]. 周惦武,刘元利,李宁宁,徐少华,刘金水.  中国激光. 2015(05)
[5]铝/钢TIG熔钎焊温度场和流场数值模拟[J]. 宋洋,张旭超,郝晓虎,董红刚.  焊接. 2014(07)
[6]高强度钢在汽车轻量化和安全器件上的应用[J]. 马鸣图,吴娥梅.  新材料产业. 2014(07)
[7]添加Sn粉激光焊接钢/铝合金异种金属的显微组织与性能[J]. 周惦武,彭艳,徐少华,刘金水.  金属学报. 2013(08)
[8]不锈钢薄板高速激光焊驼峰焊道形成倾向及其影响因素[J]. 裴莹蕾,单际国,任家烈.  金属学报. 2012(12)
[9]界面捕捉中耦合Level-set与VOF算法[J]. 杨强,周进,吴海燕,孙明波.  航空计算技术. 2012(04)
[10]钢/铝异种金属预置Si粉的光纤激光焊接[J]. 王涛,周惦武,彭艳,张屹,陈根余.  中国激光. 2012(03)

博士论文
[1]激光深熔焊接过程的数值模拟与等离子体控制研究[D]. 张盛海.南京航空航天大学 2014

硕士论文
[1]双相钢/铝合金激光焊添加粉末的焊接行为及机理研究[D]. 卢源志.湖南大学 2016
[2]铝/钢异种金属CMT焊熔池温度场及流场的研究[D]. 姚鹤.江苏科技大学 2016
[3]激光深熔焊接瞬态小孔内部可压缩金属蒸汽动力学行为研究[D]. 李文.华中科技大学 2015
[4]激光深熔焊过程熔池流动特性数值模拟与分析[D]. 张芙蓉.哈尔滨工业大学 2014
[5]基于VOF方法激光深熔焊接小孔行为的数值分析[D]. 张健.兰州理工大学 2014
[6]高功率激光焊接钉子头焊缝的数值模拟与试验研究[D]. 廖生慧.湖南大学 2014
[7]激光深熔焊接厚板细长小孔瞬态形成过程模拟研究[D]. 陈晓锋.湖南大学 2014
[8]激光焊接小孔内部三维可压缩金属蒸汽/等离子体动力学数值模拟[D]. 陈伟东.华中科技大学 2013
[9]基于高速摄像技术的光纤激光焊接过程研究[D]. 孟宣宣.华中科技大学 2011
[10]基于动网格的激光焊接小孔演变过程模拟[D]. 彭阳春.华中科技大学 2009



本文编号：3633631