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亚大气压下铝合金激光焊接中匙孔与熔池流动动力学数值模拟与实验研究
摘要： 孔隙缺陷与激光焊接过程中的小孔动态和熔体流动行为密切相关。本文建立了一种新型三维数值模型，用于描述5A06铝合金在次大气压下激光焊接时的小孔动态和熔体流动行为。通过基于汽液平衡计算和Wilson方程优化铝合金沸点及金属蒸汽射流的反冲压力，考虑了环境压力对激光焊接过程的影响。采用移动混合热源模型来描述次大气压下的激光能量分布。数值结果表明，与常压相比，次大气压下产生的小孔更宽更深且凸起较少。随着环境压力降低，小孔后壁的涡流变得不明显甚至消失。低压下小孔壁上的熔体流动速度更大。较小的沸点与熔点差导致形成更薄的小孔壁并提高了熔池稳定性。次大气压下产生的较大反冲压力使涡流减弱且熔体流动速度增强。更大的小孔开口尺寸、更高的熔体流动速度、更薄的小孔以及减弱的涡流共同降低了铝合金激光焊接中的孔隙缺陷。基于模拟结果，展示了等离子体分布、焊缝成形和孔隙缺陷情况。对比结果表明，模拟结果与实验结果吻合良好。
关键词： 孔隙缺陷、小孔稳定性、数值模拟、负压、熔体流动动力学、激光焊接
更新于2025-11-28 14:24:20
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激光粉末床熔融过程中孔隙演化的介观尺度模拟
摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）是一种先进的制造技术，通过数据驱动的逐层材料堆积形成金属部件，已广泛应用于航空航天等领域。有效控制孔隙缺陷是LPBF工业生产中的关键科学问题和技术难点。基于开源离散元方法代码Yade获取了粉末床的颗粒分布，基于开源计算流体力学代码OpenFOAM预测了LPBF成形过程中观尺度的孔隙演变。影响熔池的热-力因素包括表面张力、马兰戈尼效应、气化反冲力和糊状区阻力。激光能量模型采用基于界面追踪的体热源。首先对LPBF单道成形情况下的熔池演变进行了无量纲分析，熔池演变主要受气化反冲力、马兰戈尼效应和表面张力的影响，且熔池不同区域的主要影响因素存在差异。为考察激光功率、扫描速度、粉末床厚度和扫描间距对LPBF成形过程中孔隙缺陷的影响，开展了模拟并与实验结果对比。当体积能量密度过小时，因金属颗粒熔合不足产生孔隙缺陷；当体积能量密度过大引发"匙孔"效应时，则因裹挟气体无法及时逸出而产生孔隙缺陷。本文有望为LPBF生产中孔隙缺陷的科学调控提供理论指导。
关键词： OpenFOAM，体积能量密度，无量纲分析，孔隙缺陷，激光粉末床熔融，数值模拟
更新于2025-09-19 17:13:59