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不锈钢激光线性焊接中表面张力驱动流动与凝固行为分析

DOI：10.1016/j.optlastec.2019.105914 期刊：Optics & Laser Technology 出版年份：2019 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 提出了一种瞬态三维热-流-冶金耦合模型，用于研究304不锈钢激光线性焊接过程中的表面张力驱动流动及焊接冶金行为。通过数值模拟与实验方法相结合，探究了热行为、表面张力驱动流动、驱动机制及凝固特性。定性分析了温度相关驱动力，定量研究了表面张力与表面剪切应力，并分别采用数值方法与量纲分析评估了不同驱动力的重要性。将冶金模型与热-流模型进行顺序耦合，计算了四个凝固参数。观测发现由于热导率效应，熔池前端的温度梯度显著更大，并从中心向周边递减。表面张力及其驱动流动在中心区域均较小。最大剪切应力可达2500 N/m2，推动形成强烈的向外对流。利用凝固参数预测凝固形貌，实验结果验证了预测的准确性。本研究获得的基本结论表明，该热-流-冶金行为研究有助于深入理解焊接及增材制造过程中熔池内部表面张力驱动流动与凝固行为。
作者： Xiuli He，Zhiyong Li，Gang Yu，Shaoxia Li，Chongxin Tian，Binxin Dong
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究304不锈钢激光线性焊接过程中的表面张力驱动流动及焊接冶金行为。

研究成果

熔池前端的温度梯度大于后端。温度梯度从熔池中心向边缘递减。表面张力和表面剪切应力均从熔池中心向边缘递增。微观组织形貌由等轴树枝晶转变为细柱状树枝晶再变为粗柱状树枝晶，且晶粒尺寸从熔池顶部到底部逐渐增大。

研究不足

未来应开展焊接过程中溶质浓度分布的研究，以更深入、准确地理解其驱动机制和冶金行为。其他复杂因素——如自由表面演变、小孔动力学以及大冷却速率导致的非平衡凝固——也对激光焊接过程中的热-流-冶金行为起着重要作用，并为后续研究带来了巨大挑战。

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