焊接熔池

熔化焊接時，在熱源作用下，焊件上形成的具有一定形狀的液態(tài)金屬部分被稱的焊接溶池。弧焊過程中，電弧下的熔池金屬在電弧力的作用下克服重力和表面張力被排向熔池尾部。隨著電弧前移，熔池尾部金屬冷卻并結(jié)晶形成焊縫。

焊縫的形狀決定于熔池的形狀,熔池的形狀又與接頭的形式和空間位置、坡口和間隙的形狀尺寸、母材邊緣、焊絲金屬的熔化情況、熔滴的過渡方式等有關(guān)。接頭的形式和空間位置不同，則重力對熔池的作用不同。焊接工藝方法和規(guī)范參數(shù)不同,則熔的體積和熔池的長度等都不同。平焊位置時熔池處于最穩(wěn)定的位置,容易得到形良好的焊縫,在生產(chǎn)中常通過焊接變位機等裝置使接頭處于水平或船形位置進行焊接。而在其他空間位置焊接(橫焊、立焊、仰焊、全位置焊)時,由于重力的作有使熔池金屬下淌的趨勢,因此要采取特殊措施(例如施加脈沖電流等)控制焊縫成形。當(dāng)坡口和間隙、焊接規(guī)范參數(shù)等不合適時，也有可能產(chǎn)生焊縫成形方面的缺欠。2100433B

由于具有高功率密度、高精度、高速度、高效率和低變形等突出優(yōu)點，激光焊接已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用在異種金屬的焊接上，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。然而，異種金屬的激光焊接是一個多場、多尺度、多參數(shù)的動態(tài)復(fù)雜過程，涉及到眾多物理現(xiàn)象。金屬熱物性參數(shù)的差異易使接頭產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，以及脆性金屬間化合物，影響異種金屬的激光焊接的性能和質(zhì)量。其中，焊接熔池的動態(tài)特性是異種金屬激光焊接中的核心問題，決定著焊件凝固后最終的力學(xué)性能。本課題從制造工藝力學(xué)的角度，通過深入研究焊接過程中的傳熱傳質(zhì)機理, 開展溫度場、流體速度場、濃度場以及氣-液界面演化等動態(tài)過程的耦合模擬分析，探索傳熱傳質(zhì)和熔池流體流動對力學(xué)行為的影響機制，從而進行工藝參數(shù)的定量分析與優(yōu)化，獲得所需要的組織和力學(xué)性能，提高異種金屬激光焊接的效率和質(zhì)量，滿足異種金屬激光焊接在不同領(lǐng)域的特定需求，進一步推動其在工業(yè)各領(lǐng)域的成功應(yīng)用。

針對中厚板結(jié)構(gòu)焊接制造面臨的效率、質(zhì)量和成本問題，基于工程熱物理與材料焊接加工的學(xué)科交叉，研究了受控脈沖穿孔等離子弧焊接新工藝所涉及的熔池與小孔動態(tài)耦合傳熱特性。解決的關(guān)鍵問題和創(chuàng)新性研究成果概述如下： （1）自主研制了“受控脈沖穿孔等離子弧焊接系統(tǒng)”，搭建了穿孔等離子弧焊接熔池與小孔傳熱特性的實驗研究平臺。（2）在不同工藝條件下測試了熔池內(nèi)小孔的形狀尺寸與位置信息，揭示了熔池穿孔過程各階段小孔特征參數(shù)的動態(tài)演變規(guī)律。（3）實現(xiàn)了雙視覺傳感器的信息融合，同步獲取了工件背面的小孔圖像及熔池溫度場圖像。選用合適的采集窗口，利用單一CCD攝像頭獲得了熔池與小孔的一體化圖像。（4）基于熔池表面的受力狀態(tài)，建立了小孔形狀的瞬態(tài)模型，定量分析了受控脈沖條件下熔池內(nèi)小孔在一個脈沖周期內(nèi)“形成-長大-縮小-閉合”的周期性演變過程。（5）建立了穿孔等離子弧焊接三維瞬態(tài)流場與熱場的數(shù)值分析模型，追蹤小孔界面的演變過程，實現(xiàn)了帶有瞬態(tài)變化小孔的熔池流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬。（6）綜合上述的理論與實驗研究結(jié)果，優(yōu)化了受控脈沖穿孔等離子弧焊接工藝與系統(tǒng)，實現(xiàn)了中厚度不銹鋼板的優(yōu)質(zhì)、高效、低成本焊接。 總結(jié)研究結(jié)果，已經(jīng)發(fā)表論文67篇。其中，國際期刊論文18篇、國內(nèi)核心期刊論文19篇、國際會議論文19篇、全國性會議論文11篇。在美國出版英文專著1部。申請中國發(fā)明專利1項。發(fā)表的論文中，被SCI收錄22篇、EI收錄12篇。在國際會議做大會報告(Keynote) 2次、特邀報告(Invited) 4次。 2100433B