激光深熔焊接匙孔效应模拟及其力学特性

由于具有高功率密度、高精度、低变形、高效率和高速度等突出优点，激光深熔焊接已成为激光先进制造技术发展的主流，在航空航天、汽车、电子、武器装备等领域中发挥着重要作用。然而，激光深熔焊接过程复杂，涉及到不同的物理场和大量的控制参数，高密度激光束与材料的相互作用导致了匙孔的形成。匙孔的形成是激光深熔焊接的主要特征，决定着焊件凝固后的微观缺陷以及最终的力学性能。本课题从制造工艺力学的角度，采用等位函数方法结合质量、动量、能量守恒以及溶质传输等控制方程，综合考虑焊接过程中各种驱动力作用以及固-液-气多相混合、复杂流动、多重相变、熔凝耦合等各种物理现象，模拟激光深熔焊接过程中温度场、流体速度场，着重模拟匙孔形成及其形貌特征，理解其对焊件力学特性的影响。在此基础上，优化控制参数，从而改善焊件的力学特性，提高激光深熔焊接的效率和质量，进一步推动激光深熔焊接在先进制造领域的成功应用。

本项目主要对激光深熔焊接过程中的温度场及流场分布、匙孔效应和力学特性进行了深入系统的研究。采用等位函数方法结合质量、动量、能量守恒以及溶质传输等控制方程，综合考虑焊接过程中激光与材料的相互作用、各种驱动力影响、传热与流动、多重相变、高温下引起的蒸发和溅射等各种物理现象，建立了高密度激光焊接过程熔池形成与演化的物理和数学模型，模拟激光深熔焊接过程中温度场、流体速度场，浓度场以及匙孔的形成演化及其形貌特征。对光斑移动速率、表面活性元素分布以及保护气等关键因素的影响进行了系统的研究。在此基础上，对特定参数下激光深熔焊接过程焊件的微观组织、成分分布及硬度、拉伸等力学性能及断裂破坏机制进行了分析，从而优化控制参数，改善焊件的力学特性，提高激光深熔焊接的效率和质量，进一步推动激光焊接在先进制造领域的成功应用。