激光+GMAW复合焊小孔动态行为与流体流动及其对焊接缺陷影响机制

激光+GMAW复合焊工艺参数较多且相互影响，若匹配不当，仍会出现焊接缺陷，焊接工艺适应性较差。而消除焊接缺陷，提高其工艺稳定性，是复合焊推广于高性能材料的首要前提。由于小孔动态行为和熔池内流体流态对于气孔、咬边等缺陷的产生具有极其重要的影响，研究焊缝缺陷的产生机理并提出预防措施，必须首先对小孔行为和熔池内流体流动进行准确分析。本项目拟利用数值模拟技术和实验检测相结合的方法，依据光学、传热学及流体力学原理，研究小孔、复合焊热流和熔池内流体流动之间的相互作用机制，建立复合焊弯曲小孔模型和流体动力学模型，定量分析小孔的动态行为特征和熔池内流体的流态、流场，并以此为基础，揭示复合焊过程中气孔、咬边等焊缝缺陷的产生机理，提出抑制措施，建立焊接工艺参数-小孔形态和流体流动-焊缝成形的定量关系，丰富复合焊物理机制，提高其可靠性和稳定性。

依据研究计划，本项目利用数值模拟和实验分析相结合的方法，研究了激光+GMAW复合焊小孔动态行为及流体动力学特征，分析了其对复合焊焊缝缺陷的影响机理，完成了预定的任务，取得了预期的成果。. 在不同条件下进行激光+GMAW复合焊实验，获得了焊缝的形状尺寸及电弧、驼峰、咬边及气孔等焊接缺陷的宏观图片，分析了不同工艺参数对复合焊焊缝成形的影响规律。 . 考虑复合焊焊缝形状特点，从光学、传热学及流动动力学角度出发，建立了适用且高效的激光+GMAW复合焊弯曲小孔及流体流动数值分析模型。其中，采用热流峰值变化的曲线旋转体描述激光热输入，热源上、下表面半径、热源高度依据简易的小孔形状计算模型确定；将熔滴过渡视为从熔池上部特定区域流入熔池高温液态金属的过程，并通过对焊速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率；而小孔视为由蒸汽反作用力、表面张力、电弧压力引起产生的熔池表面变形。该模型综合考虑了小孔、熔滴、熔池及热场之间的耦合以及激光与电弧之间的相互作用，可实现弯曲小孔、热场以及流场的模拟计算，能够合理反映复合焊小孔动态行为及流体流动的主要特征，同时提高了计算效率。利用该模型，同时结合动量、能量及质量守恒方程，对不同焊接条件下的激光+GMAW复合焊小孔、流场及焊缝成形进行了模拟计算，并依据焊缝形状尺寸对模型进行了验证及优化，定量研究了复合热源焊小孔动态行为及流体流态，分析了其对焊缝成形的影响机制。. 获得了高速过程中驼峰、咬边、气孔等焊接缺陷形成时的小孔行为及流体流动模式，探讨了激光热输入、焊接速度、电弧功率等对复合焊小孔及流体流动的影响规律，提出了复合焊抑制及产生焊接缺陷的机理。基于模拟结果和实验结果的分析，建立了焊接工艺参数-小孔-熔池-焊缝成形的相关性，有利于复合焊参数的优化及工艺可靠性的提高。