收稿日期:2005-08-15基金项目:国家自然科学基金(50475093);国家教育部博士点基金资助项目(20030698018)侧吹辅助气流对激光深熔焊接光致等离子体的影响张林杰1,张建勋1,段爱琴2(11西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安710049;21北京航空制造工程研究所,北京100024)摘要:为研究侧吹辅助气流对激光焊接光致等离子体的影响及其机理,利用CCD高速摄影研究了不同侧吹条件下激光深熔焊接过程中光致等离子体形态的变化,建立了模拟激光深熔焊接过程气体流场的二维可压缩模型,计算了侧吹喷嘴高度和侧吹流速的变化对激光焊接光致等离子体的影响。结果表明,侧吹喷嘴高度和侧吹流速的变化对光致等离子体行为和焊缝形貌有显著的影响;侧吹气体的冷却作用及其对向上喷射的炽热等离子体云团的“压制”作用是侧吹气体能够有效抑制光致等离子体的重要原因。关键词:等离子体云团;侧吹辅助气体;数值模拟;CCD高速摄影中图分类号:TG45617文献标识码:A文章编号:0253-360X(2006)10-037-04张林杰0序言激光深熔焊接过程中,会产生光致等离子体。光致等离子体形成后由于逆韧致辐射吸收和折射对入射激光束产生屏蔽效应,影响焊缝熔深、焊缝成分以及焊缝中气孔的生成,使激光深熔焊接可焊的最大工件厚度远低于同属高能束焊接方法的电子束焊[1]。实践证明在CO2激光焊接过程中,侧向吹辅助气体能有效地抑制光致等离子体的屏蔽作用。国内外研究人员对CO2激光焊接过程中辅助气流的影响已经进行了许多研究。唐霞辉等人指出对不同种类气体只要保护气压力大于等离子体压力都可获得最佳焊缝[2]。肖荣诗等人研究了不同辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响[3]。王振家等人研究了侧吹角度、侧吹流速等因素对熔深的影响[4]。Hamadou等人研究了喷嘴形状以及侧吹气流速对焊缝熔深、熔宽的影响[5]。Beck等人发现当氦和氩按照3比1的比例混合抑制等离子体的效果最好[6]。Ancona等人采用一种双喷嘴侧吹装置使得激光焊热传递效率提高,焊缝深宽比增大[7]。激光深熔焊接时,小孔内的温度通常为10000K左右,小孔孔口处等离子体温度也高达数千度,激光焊接的熔池尺寸很小并有强光的干扰,很难通过试验手段来得知侧吹气体对小孔内外等离子体云团中的温度、压力和速度分布会产生什么样的影响。数值模拟和计算在这方面具有独特的优势,为激光深熔焊接机理的研究提供了有力的手段。陈熙和王海兴采用三维不可压缩性模型模拟研究了激光焊接等离子体各种特性参数的空间分布[8]。Amara等采用二维可压缩模型对不同环境压力下激光深熔焊接过程中小孔内部的压力、温度和速度分布进行了数值研究,但该模型中没有考虑侧吹辅助气体的影响[9]。为了研究侧吹条件的变化对激光深熔焊接光致等离子体和焊缝形貌的影响及其机理,建立了分析激光深熔焊接过程气体流场的二维可压缩模型,并计算了不同侧吹工艺参数下等离子体云团内部的温度和速度分布。1高速摄影试验方法焊接试板厚度2mm,试板尺寸是100mm×200mm。激光焊接设备是PRC23000型快速轴流CO2激光器,光斑直径0.4mm。侧吹喷嘴内半径2.5mm。试验中侧吹辅助气为氩气。如图1所示,试验中热源和摄像机固定,“vS”是工件运动速度,“h”为侧吹喷嘴高度,是侧吹喷嘴下端和工件上表面之间的距离;“α”是侧吹喷嘴轴线和水平方向之间的夹角;“H”表示顶吹喷嘴高度,是顶吹喷嘴下沿和工件第27卷第10期2006年10月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.27No.10October2006上表面之间的距离。在激光焊接过程中用Phan2tomV4.0高速摄影机沿垂直于焊缝对称面的方向拍摄不同条件下光致等离子体的形态。拍摄频率为1000幅/s。图1试验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentset2up2激光焊接过程气体流场的数值模拟211基本假设计算中作如下假设:金属蒸发速度为常数;模型为二维稳态;可压缩、湍流流动;考虑对流换热和粘性耗散,忽略辐射换热;激光焊接小孔为圆柱状盲孔。212控制方程采用FLUENT软件来模拟研究辅助气流的影响。FLUENT软件采用的质量、动量和能量守恒控制方程,在该软件帮助文档中有详细的介绍。213边界条件整个计算区域如图2所示,网格划分通过FLU2ENT软件包的前处理软件GAMBIT来完成,最小单元尺寸...
