光纤激光焊接瞬态阶段的小孔、熔池和金属蒸汽耦合行为研究

难以从根本上保证焊接接头的高质量、高稳定性和高可靠性，是激光焊接在我国大飞机、武器装备关键构件等重大焊接制造的应用中面临的突出问题。焊接接头质量是在起焊到准稳态这一短暂的瞬态阶段内孕育和形成的。因此，研究焊接过程瞬态阶段的小孔、熔池和金属蒸汽耦合行为，可望为揭示焊接接头质量的形成和演化机理提供科学依据。拟通过借鉴空气动力学、多相流理论以及计算流体力学的相关成果，建立光纤激光焊接瞬态阶段的小孔、熔池、金属蒸汽行为的耦合数学模型。同时通过开展实验研究，获得不同工艺下的表征小孔、熔池、金属蒸汽信息的特征物理量在瞬态阶段的演化行为，验证和修正数学模型。最后，通过开展数值模拟研究，揭示小孔形貌和熔池速度、温度、压力以及金属蒸汽密度、温度、压力以及马赫数等物理场量分布随时间的演化机制，阐释激光焊接瞬态阶段小孔、熔池、金属蒸汽行为的相互影响规律。

提出了以环境压力和反冲压力共同作用的表面压力公式来代替沿用近50年的反冲压力模型，应用边界条件捕捉多相流理论推导了激光焊接液相界面的反冲压力、热毛细力锐利边界，建立基于温度依赖的瞬态可压缩气相界面动力学边界条件，率先提出了光纤激光焊接小孔、熔池、可压缩金属蒸汽的多场多相间断数学模型。采用小孔熔池的高速摄影成像、金属蒸汽的声光信号多通道一体化监测技术以及脉冲调制的激光断续焊接工艺，完成了光纤激光焊接瞬态阶段小孔、熔池和金属蒸汽的实验观测整体方案设计。提出了“双时间步长+虚拟流”的跨时间尺度多相流求解算法，在保证模拟精度的前提下，大大提高了激光焊接孔内可压缩金属蒸汽动力学仿真速度。在上述基础上，研制了光纤激光焊接理论和实验研究平台。通过数值仿真，首次获得了跟实验吻合的瞬态小孔壁面温度，否定了Semak等人关于小孔壁面温度可大幅低于沸点的著名假说。揭示了瞬态阶段小孔、熔池的动力学行为特征，提出了工艺气孔平均尺寸的定量预测方法。阐释了可压缩金属蒸汽压强、密度、速度、温度、马赫数分布随时间的演化机制以及小孔、熔池和金属蒸汽三者之间的相互作用机理，发现了孔内可压缩金属蒸汽高度的瞬时性特征，为科学测量金属蒸汽温度和速度等参量提供了新课题。