局部传递特性对材料激光加工/处理质量影响的机理分析

With the higher requirements for material property, high energy density beam processes, which includes welding, incision, punching and heat treatment, have been applied widely.The laser welding offers the advantage of a high energy density power,extreme monochromaticity and ultrashort pulse,resulting in a very high local temperature and temperature gradient,causing the system and process far from equilibrium state and an Non-Local-Thermal-Equilibrium phenomenon. This is the inherent source which affects the quality of laser processing machine indeed. This project aims at the process of microscale transport phenomena and dynamic evolution for local areas under the action of laser source.It also focus on the evolution law and physical mechanism of light energy conversion,heat and mass tranfser process and the change of material properties which are induced by the interaction of laser beam characteristics,impulse frequency,wavelength and the lead base material property.In this study, acorresponding macroscopic properties mathematical model is developed to investigatethe characteristics of molten pool and the structure evolution of heating zone experimentally and numerically during typical laser processing.The influencing rules of laser technical parameters are going to be summarized.And this conclusion is guidance significant for improving of laser processing technology and quality of products.

随着对材料性能要求越来越高，以激光为代表的高能束加工（切割，焊接，涂覆，打孔，热处理等）特种方法，日益得到广泛应用。激光高能量密度、极好的单色性和超短脉冲直接导致极高的局部温度和温度梯度，造成物系和过程远离平衡态，也必然出现诸多超常的陌生现象，使局部热平衡等经典理论描述出现偏差，甚至失效，这是真正影响激光加工/处理质量的内在因素。本项目针对激光光源作用下局部区域产生的微细传递现象和动态演化过程，着重阐明激光光源束能模式、脉冲频率、波长与被加工处理对象的材料性质等相互耦合作用所诱发的光能转换、内部能质形态转换与传递基本形式、材料性态改变等演化规律和物理机制，建立相应的宏观性能数理模型，并通过数值和实验手段分析典型激光加工处理过程熔池特性和加热区性能演变过程，总结激光加工工艺控制参数的影响规律，为优化利用激光加工工艺、提高产品加工质量等提供理论依据。

高能束加工在制造业应用领域所占的比例正日益加重，对高能束加工中涉及到的相关基础研究也受到越来越多的重视。熔化极惰性气体保护焊（MIG焊接）作为高能束加工的一种形式在现代焊接加工工艺中应用越来越广泛。坡口焊接作为MIG焊接的常用方式之一，焊接过程中涉及到基体材料的熔化/凝固的固-液相变问题。本项目基于304不锈钢基体材料的MIG坡口焊接工艺过程开展了实验和数值模拟研究。.实验研究包括：对典型工艺条件下的焊缝做金相图，获得了实验件横截面熔池形状；通过引入Marangoni数和Bond数两个无量纲参数，对不同坡口角度和焊接速度引起的熔池内流体驱动力进行了理论分析，揭示了熔池流动特性对熔池形状变化的影响规律；对熔池形状底部气孔以及熔池自由液面形状的形成建立了理论分析模型，解释了不同焊接工艺参数对气孔形成和自由液面形状变化的影响；同时也为MIG坡口焊接熔池相变流动数理模型的建立和简化提供了实验验证结果。.数值模拟研究包括数理模型的建立和数值模拟分析两部分。数理模型建立方面：建立了焊缝横截面焊接物理过程的二维数理模型，包括焊接热源模型和熔池相变流动CFD模型两部分；焊接热源模型采用移动高斯热源模型，并通过与实验金相图对比分析，修正了移动高斯热源模型参数；熔池相变流动CFD模型通过引入液相相分数、熔融区多孔介质阻力模型和热焓源项实现了对焊接过程中流动传热传质现象的瞬态数值模拟；对比分析了CFD模型中流体驱动力的热浮力和Marangoni力对熔池形状的影响；通过典型工况的数值模拟结果与实验结果的对比，验证了二维数理模型的准确性。数值模拟分析方面：应用建立的二维数理模型，对不同焊接工艺参数下的MIG坡口焊接过程进行了数值模拟研究，分析了这些工艺参数对熔池形状发展的影响规律，包括：坡口角度、坡口深度和焊接速度的影响。研究表明，不同焊接工艺参数将熔池内热浮力和Marangoni力产生影响，Marangoni力对熔池形状的发展，尤其是熔宽有着更显著的影响。