基于Fluent的铝合金电子束深熔焊三维流场数值模拟

摘要

熔池的流动形态是电子束焊接焊缝质量控制的关键，而表征焊缝成形质量的特征区域的选取以及计算较为繁琐。本文采用流体力学软件FLUENT建立了电子束匙孔反冲金属蒸气和熔池模型，在一定范围内，模拟了匙孔处金属蒸气和熔池流场的流场分布。根据熔深模拟匙孔上方特征区域，可以预测焊接质量，指导工艺；并且通过模拟匙孔处的金属蒸气和熔池流场分布，对进一步研究电子束深熔焊机理和控制焊接质量有着重要的意义。
　　建立匙孔直径0.5mm且熔深分别为5mm、8mm、10mm、13mm和15mm的模型进行进一步模拟，温度云图具有相似的分布，温度场以匙孔中心为对称分布，匙孔中心温度较高。但不同的熔深获得不同的匙孔形貌。定义出口处金属蒸气的截面宽为蒸气宽，用来对焊缝成形进行表征。建立带有真空室的三维反冲金属蒸气模型。显示了在不同熔深条件下的特征区域近似于圆形，蒸气宽随着熔深的增加呈增大的趋势。这种规律进一步研究可作为铝合金电子束工艺指导。
　　进一步探求匙孔对焊缝成形的影响，建立了电子束焊接熔池三维流动场模型。模拟结果显示在匙孔的搅动下，熔池流场具有明显的分区分层。熔池流场在水平方向和厚度方向上有明显的不同。水平方向的熔池流动流场呈“V”形延后分布，熔液随匙孔的移动沿焊接方向流动，近匙孔区速度较大；远离匙孔区受匙孔的带动影响较小，因而速度较小。厚度方向的流场呈明显的分层：熔池表层和底部流场呈明显的层流分布，熔池中部流动较为复杂紊乱。初步分析和研究了熔池流场形成机理，揭示了匙孔效应与焊缝成形之间的关系。

目录

基于Fluent 的铝合金电子束深熔焊三维流场数值模拟

NUMERICAL SIMULATION BASED ON SOFTWAREFLUENT OF 3-D FLOW FIELD OF DEEPPENETRATION IN ELECTRON BEAM WELDINGFOR ALUMINUM ALLOY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 电子束焊接过程及深熔焊机理

1.3 本课题研究内容

第2章 FLUENT 软件及电子束焊接物理模型

2.1 FLUENT 软件

2.2 电子束焊接匙孔反冲金属蒸气流场模型

2.3 电子束焊接熔池流动场模型

2.4 本章小结

第3章 电子束焊接匙孔反冲金属蒸气流场模拟

3.1 特征区域与特征区域尺寸

3.2 电子束焊接匙孔反冲金属蒸气流场有限元模型的建立

3.3 电子束焊接反冲金属蒸气流场模拟

3.4 本章小结

第4章 电子束深熔焊熔池流动场的模拟研究

4.1 电子束深熔焊熔池形成特点

4.2 控制方程以及计算模型的选取

4.3 有限元模型的建立

4.4 模拟结果及分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢