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研究明白它,每年千万利润不是梦想--不锈钢与镍激光异种焊接的传热传质

发布:2022-04-28 10:10作者:www.huyunjituan.com点击:827次

本文对各种不锈钢-镍热电偶的激光点焊进行了实验和数值研究。在求解质量、动量、节能和溶质传递焊接方程的基础上,采用三维传热传质模型对焊接过程进行数值模拟。计算得到的熔融区几何形状和元素分布与相应的实验结果吻合较好。通过比较有对流和无对流两种情况,研究了流体流动对温度场的影响及其演变。远离焊接熔池的温度范围几乎相同,但靠近热源的温度范围却大不相同。在熔体形成后的初始阶段,由于混合时间不足,元素铁在熔池中的分布不均匀。传质速率在焊接熔池形成的早期阶段最高,并随着时间的推移而降低。在不锈钢和镍的激光点焊中,对流对传热和传质有重要影响。
脉冲激光焊接广泛用于航空航天、电信和制药行业,用于焊接小型部件,如微波容器、电池和其他对电气和电子可靠性要求较高的包装。随着近几十年大宗商品价格的上涨,为特定产品选择金属可能会很昂贵。在产品中使用不同的金属和合金为设计师和工程师提供了更大的灵活性,与传统的单一材料制造工艺相比,通常具有技术和经济优势。例如,高强度不锈钢可以与镍等耐腐蚀金属结合使用,以防止压力容器中的机械应力和化学腐蚀。
然而,由于两种金属的物理化学性质(如导热率、热容量、热膨胀系数和熔点)的差异,例如会出现许多问题。 B.由于溶质的稀释或热处理导致各种金属化合物中的热量去除不足而导致的部分渗透。在低温下熔化的脆性或共晶金属间化合物的不当形成会使化合物发生开裂和断裂。选择正确的热处理温度和金属材料成分是解决这些问题并获得需要适当激光焊接参数的所需微观结构和机械性能的有效方法。然而,许多使用这些参数的实验需要时间,热量和质量的数值模拟有助于预测不同工艺参数的温度和成分。
在过去的几十年中,传热和流体流动的计算机模型已被用于了解相应金属焊接应用中温度和速度场的变化。 Khan 等人研究了不锈钢激光点焊中温度和速度场的形成,假设为自由表面。数值研究了由温度梯度引起的熔池上方的 Marangoni-Benard 对流和在存在或不存在硫和氧等表面活性剂的情况下熔池中密度变化引起的 Rayleigh-Benard 对流。已经在几个模型中研究了激光焊接过程中合金丝模式中元素蒸发引起的热量和质量损失。在激光处理过程中还解释了固-液界面处不平衡凝固和溶质分布的性质。这些模型中的大多数通常遵循固体晶格方法,并使用焓孔隙率公式来解决固液相变问题。
尽管已经对焊接这些材料进行了大量研究,但很少有人关注模拟各种金属的焊接,但人们对它们的兴趣正在增长。 Zhao 和他的同事使用 3D 元素模型来预测不同激光功率和扫描速度下的温度场。然后使用模拟优化工艺参数,以控制两种金属界面处的热量供应,以防止在 Ti6Al4V 和 42CrMo 激光焊接过程中形成脆性金属材料。他们的模拟没有考虑 Marangoni 对流和传质的影响。 Chang 和 Wei 使用基于 VOF 方法和 SIMPLE 算法的二维模型来预测连续焊接两种未混合金属时的熔化区形状。 Fanikoumar 等人。他们将其扩展到 3D 瞬态模型,以研究激光焊接不规则铜镍组件时的热传递、流体流动和颗粒滞留,作为层流的默认设置。 Chakraborty 和 Chakraborty 执行了平均不稳定 Reynolds Navier-Stokes 模拟,通过比较层流和湍流结果来证明湍流效应。
在这项工作中,在不锈钢和镍的激光点焊过程中创建了传热和传质的三维模型。在不同时间分析温度范围和浓度分布。将主轴的尺寸和计算元素的分布与相应的测试结果进行比较,以验证模型。这项工作表明,使用数字传递现象可以显着扩展基于不规则熔焊的定量数据。
实验中使用了 304 不锈钢和镍。焊接前用丙酮清洁表面。实验是在五轴 CNC 工作站上使用 1 kW Nd: YAG 激光材料处理系统进行的。焦距为 150 mm 的透镜用于聚焦激光束。模糊距离为9.5mm,与样品表面对应的半径为1.0mm。激光功率为650W,交互时间为500ms。
在这项工作中,创建了一个非平稳三维模型,用于模拟各种不锈钢-镍热电偶激光点焊过程中的传热和传质过程。为了简化计算,做了以下假设:
1. 假设熔融金属是牛顿且不受控制的,并使用 Boussinesq 近似来解释由于温度和浓度变化引起的密度变化。液体呈层状。
2.焊接在焊丝间隙进行,焊槽自由面平整。不考虑两个元件之间的热传递阻力。
3.激光束在工作区上表面的入射流呈高斯分布。
4. 假设与液态金属相关的物理和热特性(如导热率、比热和粘度)不依赖于温度,固相和液相的物理和热特性不同,而是线性的。服装。通过综合。
5. 基本元素的二元相图用于研究合金的硬化。
所有矩形计算域都被划分为小的矩形控制体。使用财政量方法在网格中描述财政方程。压力、温度、粒子浓度等标量值存储在计算单元的中心。速度分量放置在单元表面的中心。数值解的整体结构基于 SIMPLEC 算法。使用不均匀的 159 × 160 × 50 网格,并使用靠近热源的更好网格。最小网格距离为 20 m。
传统的自动焊接力学侧重于热压力和应力场、结构变形和偏转以及微观结构的演变,为简单起见,使用傅里叶热传导模型来预测温度场的演变。然而,在非均匀金属焊接中,熔池中的流体流动会影响热传递并影响温度范围和成分的组成。
两种情况下两点温差的演变也不同。在加热过程中,情况 2 中两点之间的温差低于情况 1,因为液体的循环有助于增加从热量到冷部分的热传递。关闭激光后,液体桶变硬,液体流动减慢,迅速消失。主要的传热机制是传导,由于镍的导热性较高,镍部分的温度下降得比不锈钢部分快。因此,情况 2 的两点之间的温差增加,情况 1 与加热期略有不同。尽管不锈钢的导热率很低,但加热时产生的高温梯度会产生相当的热通量,导致冷却时两点之间的温差很小。
当熔体开始形成时,液体将铁和铬等元素从不锈钢部分带到镍部分,在镍部分中这些元素与镍混合。此外,镍元素从镍边缘转移到不锈钢。对于上表面,由于混合时间不足,焊池中钢元素在前 60 ms 内分布不均匀。 60 ms后,两侧金属继续熔化,熔池尺寸不断增大,上表面浓度分布几乎不变。然而,对于 60 ms 截面,钢元素分布不均匀,尤其是在固液界面附近。铁元素在很长一段时间内均匀分布在横截面上,大约90m。因此,向上表面的质量传递比横截面的质量传递要快。由于温度梯度和浓度梯度引起的马兰戈尼应力,上表面的对流很强。元素的不规则分布导致高 Marangoni 应力,这反过来又加速了流体在传输质量中的流动。
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