匙孔形态和熔池的流动形态是电子束焊接焊缝质量控制的关键,而表征焊缝成形质量的特征区域的选取以及计算较为繁琐.本文在电子束焊接匙孔壁面受力平衡研究基础上,利用ANSYS软件建立了电子束焊接过程温度场、熔池流场、匙孔形态演变耦合分析的数值计算模型。匙孔形态以及与之密切联系的金属蒸发、熔池流动的研究对于电子束焊接质量控制有着重要意义。匙孔壁面力学平衡条件研究表明,在电子束焊接过程中,匙孔壁面法向主要受金属蒸气反冲压力、表面张力附加压力、流体静压力、熔池旋转向心力的作用;匙孔动态平衡时,法向上受力平衡;金属蒸气反冲压力和匙孔壁面表面张力是维持匙孔动态平衡的主要作用力。本文根据流体力学、流体动力学及传热学理论,建立了电子束作用下焊接熔池流场、温度场的二维瞬态数值分析模型。该模型综合考虑了熔池内部液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面通过对流和辐射向周围环境的散热以及熔化/凝固相变潜热等对熔池流场与温度场的影响。利用ANSYS有限元软件对所建立的模型进行了求解。计算了焊接熔池温度场及其动态变化过程;研究了电子束作用下焊接熔池流体流场、熔池内金属的流动方式以及熔池流体运动速度的变化;分析了焊接工艺参数对匙孔的影响。在该模型中,对匙孔纵向深入过程与横向移动过程进行了模拟,采用匙孔自由界面跟踪算法(引入VOF模型)实现对匙孔形态变化的跟踪。结果表明,电子束焊接过程中驱动液态金属流动有三方面作用机制。一是与金属蒸发相关的金属蒸气反冲压力的驱动;二是与表面张力有关的附加压力以及Marangoni剪切力的驱动;三是熔池与工件的相对运动的驱动。三种驱动机制的共同作用导致了熔池内部复杂的流动特征。在验证试验中对熔池截面尺寸与模拟结果进行对比,能够达到预期效果。