摘 要

高功率激光焊接中产生的小孔型气孔一直是研究的热门课题，但其形成机理尚未得到很好的认识。稳定小孔波动是抑制气孔缺陷的一种传统方法。本文提出了几种新的方法，通过防止保护气体进入小孔内部来减小小孔型气孔的产生。主要包含以下几个内容：

1）通过高速摄像机对金属蒸气行为进行了观察，得到了两种主要的蒸发波动状态，即温和蒸发状态和剧烈蒸发状态。

2）利用FLUENT建立了三维瞬态多相流模型，研究了保护气体、金属蒸气和环境空气之间的相互作用机理。仿真结果表明，保护气体只有在剧烈蒸发停止后的温和蒸发期间能够进入小孔，且蒸发强度越高，小孔内部与外界的压力梯度就越大，温和蒸发下进入小孔的保护气体积分数就越多，形成的气孔缺陷也就越发严重。

3）进行了增大保护气流量的模拟研究，研究表明增大保护气流量可以减小保护气与金属蒸气的速度差值，从而压力梯度得以减小，温和蒸发下进入小孔的保护气也就相应减少。

4）进行了模拟研究的实验验证，利用PIVlab软件证明了模型的准确性，并且又通过几组焊接实验验证了不同蒸发强度下的气孔形成情况，结果表明，蒸发曲线的蒸发强度和频率与气孔大小和数量呈正相关。

本文为研究气孔的形成机理提供了一种新的思路，为实际焊接过程中减少气孔缺陷提供了新的指导。

关键词：激光焊接；小孔型气孔；保护气流动；金属蒸气；数值模拟

Abstract

The keyhole-induced porosity in high power laser welding has been a hot research topic, but its formation mechanism has not been well understood. Stable pore fluctuation is a traditional method to restrain porosity. In this thesis, several new methods are proposed to reduce the generation of keyhole-induced porosity by preventing shielding gas from entering the inner keyhole. It mainly includes the following contents:

1) The metal vapor behavior is observed with a high-speed camera, and two main evaporation fluctuation states are obtained, namely, mild evaporation state and violent evaporation state. Then FLUENT is used to establish a three-dimensional transient multiphase flow model to study the interaction mechanism between shielding gas, metal vapor and ambient air.

2) The simulation results show that the shielding gas can enter the pore only during the mild evaporation period after the violent evaporation stops. The higher the evaporation intensity is, the greater the pressure gradient will be between the inside and the outside of the pore. The more the shielding gas integral will enter the keyhole under the mild evaporation, and the more serious the porosity will be.

3) The simulation study on increasing the flow rate of shielding gas is carried out. The study shows that increasing the flow rate of shielding gas can reduce the velocity difference between shielding gas and metal vapor, so that the pressure gradient can be reduced and the amount of shielding gas entering the keyhole under mild evaporation can be reduced accordingly.

4) Experimental verification is carried out to verify the accuracy of the model by using PIVlab software, and the formation of pores under different evaporation intensities is verified by several welding experiments. The results show that the evaporation intensity and frequency of evaporation curve are positively correlated with the size and number of pores.

This thesis provides a new idea for studying the formation mechanism of porosity and a new guidance for reducing pores in the actual welding process.

Key Words：laser welding; keyhole-induced porosity; shielding gas flow; metallic vapor;

numerical simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 激光焊接熔池小孔动态行为的研究现状 2

1.2.2 侧吹气流对焊接过程影响的研究现状 3

1.3 本文的主要工作 4

第2章 高功率激光焊接数学建模 6

2.1 模型的简化与假设 6

2.2 控制方程 6

2.3 湍流模型 8

2.4 多相流模型 9

2.5 边界条件 11

2.6 本章小结 11

第3章 侧吹气流下高功率激光焊接数值仿真方法 12

3.1 数值模拟方法 12

3.2 计算流体力学概述 12

3.3 计算域建立 13

3.3.1 几何模型的建立 14

3.3.2 网格模型 14

3.4 数值求解过程 15

3.5 计算求解 16

3.6 本章小结 16

第4章 侧吹气流下高功率激光焊接保护气/金属蒸气行为的模拟分析 17

4.1 金属蒸气喷发行为及气孔形成分析 17

4.1.1 蒸发机理 17

4.1.2 蒸气蒸发的强弱演变及其影响 18

4.1.3 小孔型气孔形成机理 20

4.2 不同蒸发强度的数值模拟分析 21

4.2.1 蒸气速度为200m/s时的保护气行为分析及其对气孔形成的影响 22

4.2.2 蒸气速度为20m/s时的保护气行为分析及其对气孔形成的影响 25

4.2.3 总结 29

4.3 增大保护气流量对保护气流动行为的影响 29

4.4 本章小结 33

第5章 侧吹气流下高功率激光焊接保护气流动的实验验证 34

5.1 PIV（粒子测速法）实验验证 34

5.1.1 PIVlab的粒子测速原理简介 34

5.1.2 无激光作用下保护气流动速度场模拟验证 34

5.2 不同蒸发强度下的气孔验证 37

5.2.1 实验平台 37

5.2.2 结果分析 40

5.3 本章小结 42

第6章 总结与展望 43

6.1 本文总结 43

6.2 环境影响及经济性分析 43

6.3 展望 44

参考文献 45

附录A 速度入口UDF加载程序 48

附录B MATLAB二值化图像处理程序 49

致 谢 50

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

自20世纪60年代高功率气体和固体激光诞生以来，激光在材料的连接中开始起到重要作用，激光焊接技术便随之应运而生^[1]。几十年来，高性能激光器应用范围不断扩大，高功率激光器带动激光焊接取得了巨大的飞跃。相比于传统焊接技术，激光焊接已显示出焊接变形小，焊接精度高，焊缝成型好，适用于柔性制造等诸多优点，目前被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

高功率激光焊接在厚板焊接中尤其展现出优越性，它与低功率激光焊接相比有更大的能量密度，具有巨大的发展前景以及研究意义。但高功率激光焊接也不可避免的存在一些缺点，由于其焊接过程中熔池的强烈蒸发及反冲压力对流场和小孔的扰动，导致小孔极不稳定，并且熔焊过程中的传热与液态金属流动会影响熔池的形状与尺寸、温度分布、凝固冷却过程以及焊缝与热影响区的组织演变，进而使整个焊接过程都处在不稳定的状态中，因此在高功率激光焊接中气孔、驼峰、咬边等缺陷尤为明显，这些缺陷成为高功率激光焊接发展中的阻碍，仍需进一步的研究解决^[2]。何文佩等人^[3]指出侧吹气流除了能够隔绝空气，抑制等离子体的产生，还能够在一定条件下减少焊接气孔，改善焊接质量。Seto N等人^[4]从等离子体和小孔行为方面研究了保护气体对气孔形成的影响。如图1.1所示为氮气在抑制如下三种合金的焊接气孔方面的影响。还有许多学者在类似的方面也做过类似的研究^{[5, 6]}。所以对侧吹气流进行研究就显得尤为重要。通过对保护气流下高功率激光焊接过程进行研究，可以获取小孔的动态行为特征与光致等离子体对焊接过程的影响，进而揭示侧吹气流对焊接的作用机理及与焊接气孔形成影响，改良焊接工艺，提高焊接件的质量。