2219铝合金双激光束双侧同步焊接过程熔池特性研究

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双激光束双侧同步焊接(Dual Laser-beam Bilateral Synchronous Welding,DLBSW)技术作为一种先进连接技术,有望在运载火箭燃料贮箱蒙皮-桁条T型结构的制造中替代传统的机械加工及铆接技术,以达到结构件减重、气密性提高等目的。由于铝合金蒙皮-桁条T型结构DLBSW过程的焊接冶金反应复杂,联合熔池以及耦合匙孔动态变化过程难以准确把控,严重影响其焊接质量及承载性能。因此,本文针对2219铝合金蒙皮-桁条T型结构DLBSW技术开展实验与仿真研究,重点考察焊接过程熔池形貌、匙孔演变过程、熔池流动特征及机理,以掌握DLBSW过程熔池特性。首先,利用预制双凸台的方法替代焊丝填充,采用DLBSW技术实现了2219铝合金蒙皮与桁条的连接,并分析了激光焊接熔池表面形貌与焊接接头宏观形貌、微观组织、元素分布特征。研究表明,工艺参数对DLBSW过程熔池表面波动行为及焊缝宏观形貌的影响十分显著。从熔合线至焊缝中心,晶粒形态主要由等轴细晶到柱状晶,再向等轴树枝晶转变。相对于晶粒内部而言,Cu元素主要富集在晶界处。其次,基于质量、动量及能量守恒方程组,建立了2219铝合金T型结构DLBSW过程三维瞬态热-流耦合模型。该模型综合考虑了流体对流、传热、蒸发及凝固等物理过程,并考虑了重力、热浮力、表面张力及反冲压力的作用。采用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)法追踪了气-液自由界面,通过编写子程序实现了激光热源、熔池驱动力及潜热等源项的加载,并基于实验结果验证了该模型的准确性。然后,基于已建立的三维瞬态模型,采用压力求解隐式分裂(Pressure Implicit Split Operators,PISO)算法,实现了2219铝合金T型结构DLBSW过程熔池传热及流动行为的定量求解与分析。获得了其焊接过程的熔池温度场、熔池及匙孔形貌、熔池流场结果。在此基础上,重点分析了匙孔耦合前后的动态特征及匙孔壁受力条件,并研究了熔池驱动力对熔池不同区域内流体流动的驱动作用及共同作用机理。最后,探究了不同激光功率、焊接速度及激光入射角对焊接过程熔池温度场、熔池及匙孔形貌、熔池流场的影响。综合分析了熔池高速摄像及热-流耦合仿真结果,发现工艺参数会显著影响熔池表面波动行为、熔池对激光能量的吸收作用以及匙孔耦合区域的能量积累程度,进而对熔池温度场分布、熔池及匙孔形貌特征、熔池流动特性产生不同的影响。
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