Теоретические основы и моделирование процесса лучевой сварки металлов с глубоким проплавлением

• Автор: Туричин, Глеб Андреевич
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 299 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕН ИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВАХ, МОДЕЛИРОВАНИИ И КОНТРОЛЕ ПРОЦЕССОВ ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
]. I. Первичные процессы при воздействии мощных электронных пучков на металлы
1.2. ПОГЛОЩЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПАРОГАЗОВОМ КАНАЛЕ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ
1.3. Тепломассоперенос в конденсированной фазе при лучевой СВАРКЕС глубоким ПР0ПЛАВЛЕНИЕМ22
1.4. Плазменные и газодинамические процессы при лучевой сварке с глубоким проплавлением
1.5. Моделирование лучевой сварки с глубоким проплавлением
1.6. Экспериментальное и теоретическое изучение нестационарных процессов при сварке концентрированными потоками энергии
1.7. Анализ современного состояния исследований процессов испарения и диффузии примесей при ЛАЗЕРНОЙ и электронно-лучевой сварке легких сплавов
1.8. Современное состояние развития принципов контроля за ходом процесса лучевой сварки
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНЫЕ УПРОЩЕНИЯ
2.1. Постановка цели и задач работы
2.2. Задача о течении расплава при лучевой сваркес глубоким проплавлением
2.3. Задача о теплопереносе в конденсированной фазе
3. ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ НА СТЕНКАХ ПАРОГАЗОВОГО КАНАЛА ПРИ СВАРКЕ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
3.1. Рассеяние электронного луча на продуктах испарения при ЭЛС
3.2. Отражение электронов пучка от поверхности парогазового канала
3.3 Отражение лазерного излучения от поверхности расплава
3.4 Многократные переотражения в парогазовом канале
3.5 Выводы
4. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ СВАРКЕ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
4.1. Течение расплава без учета вязкости
4.2. Пограничные слои и вихревой след в сварочной ванне
4.3. Решение задачи о теплопереносе в сварочной ванне при сварке с глубоким проплавлением в квазистационарной постановке
4.4. Приближенное решение задачи тепломассопереноса при воздействии КПЭ на металл с учетом конвекции и фазовых переходов
4.5. Нестационарная тепловая задача при лазерной сварке с глубоким проплавлением
4.6. Выводы
5. ГАЗОДИНАМИКА ТЕЧЕНИЯ ПАРОВ В ПАРОГАЗОВОМ КАНАЛЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЫ В ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ
5.1. Рекомбинация в пароплазменной фазе при лазерной сварке
5.2 Энергетический спектр электронов в парогазовом канале
при лазерной сварке
5.3. Баланс электронов и определение коэффициента поглощения
5.4. Модель испарения материала со стенок парогазового канала при сварке с глубоким проплавлением

5.5. Адиабатическое приближение для решения газодинамической задачи и течение паров при
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ
5.6. Течение л аров в парогазовом канале при лазерной сварке
5.7. Влияние поглощения в плазме на течение паров
5.8. Выводы
6. УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ШВА ПРИ СВАРКЕ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
6.1. Исследование линейной устойчивости парового потока и активной зоны
6.2. Исследование линейной устойчивости поверхности парогазового канала
6.3 Выводы
7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
7.1. Алгоритмы построения квазистационарных моделей
7.2. Квазистационарные модели процессов лазерной и электрон но-лучевой сварки с глубоким
ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
7.3. Верификация моделей и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными
7.4. Построение динамической модели процесса сварки с глубоким проплавлением
7.4.1. Описание динамики парогазового канала на основе метода Киргхофа
7.4.2. Построение динамического описания процесса лазерной сварки с глубоким противлением на основе механики Лагранжа
7.4.3. Моделирование и анализ динамического поведения парогазового канала
7.5. Разработка методики текущего контроля за глубиной проплавления
7.6. Верификация модели динамического поведения парогазового канала при лазерной сварке
7.7. Выводы:
8. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА ШВА ПРИ СВАРКЕ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
8.1. Исследование испарения примесей, вывод и анализ уравнений баланса массы примесей при
ИСПАРЕНИИ С УЧЕТОМ КИНЕТИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСПАРЕНИЯ
8.2. Решение задачи о диффузии примесей в расплаве
8.3. Определение концентрации примесей в расплаве с учетом испарения и диффузии и расчет химического состава металла шва
8.4. Численное решение задачи об испарении и диффузии примесей
8.5. Решение уравнения конвективной диффузии в области турбулентного течения расплава
8.6. Выводы
9. ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ИЗ ЗОНЫ СВАРКИ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
9.1. Задача внешней акустики при лазерной сварке
9.2. Формулировка задачи внутренней акустики и вывод основных уравнений
9.3. Решение задачи внутренней акустики без учета испарения и конденсации
9.4. Решение задачи внутренней акустики с учетом испарения и конденсации паров
9.5. Алгоритм моделирования акустической эмиссии при лазерной сварке
9.6. Выводы
ВЫВОДЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Лучевая сварка с глубоким проплавлением, как лазерная, так и электроннолучевая, обладая рядом технологических преимуществ перед другими видами сварки, находит все более широкое применение в промышленности, особенно в таких отраслях, как автомобилестроение, судостроение, авиационная промышленность. Однако достигнутый на сегодняшний день уровень знаний об этих технологических процессах явно недостаточен для дальнейшего расширения сферы применения лучевой сварки и повышения качества сварных соединений. Это не значит, что сварка концентрированными потоками энергии исследована хуже других видов сварки - напротив, наличие большого количества физиков, работающих в данной области, привело к тому, что о ней известно, пожалуй, даже больше, чем о любой другой, но условия, диктуемые современным этапом развития постиндустриального общества (экономичность, экологичность, автоматизация производства, конструкторской и технологической деятельности, использование информационных технологий, необходимость сертификации технологии для использования в законодательно регулируемых сферах деятельности) с необходимостью требуют разработки теоретических основ процессов лучевой сварки, физически-адекватных моделей, средств автоматизированного проектирования, инженерного анализа и управления процессом сварки (СА13-САЕ-САМ). Построение таких основ, моделей и средств возможно лишь на базе глубокого и всестороннего теоретического анализа физических процессов при взаимодействии лазерного излучения или потока ускоренных электронов с металлами. Поскольку физическая природа и особенности процессов лазерной и электронно-лучевой сварки весьма близки, в особенности это касается процессов тепломассопереноса, то целесообразным является построение единых теоретических основ для этих двух родственных процессов с отдельным выделением лишь их частных особенностей.
Как известно, при воздействии электронного или лазерного луча с достаточной плотностью мощности на металл в образце формируется узкий и глубокий канал, заполненный вытекающими из него парами металла и окруженный расплавом. Перемещение такого канала по образцу и обеспечивает сварку.

оказывают непосредственного влияния на формирование сварочной ванны, но могут использоваться в качестве источников информационных сигналов для слежения за ходом процесса.
Задача теоретического исследования и математического описания процессов, сопутствующих лучевой сварке с глубоким проплавлением, до сих пор не решена, хотя попытки предпринимались неоднократно. Для этих целей часто использовались представления из различных областей физики, механически переносимые на случай ЛС с глубоким проплавлением без каких-либо обоснований, например [142]. Авторы этой работы проводят аналогию между формированием парогазового канала и образованием полости за входящим в воду снарядом, при этом за характерный период нестационарности принимается время захлопывания образующейся за снарядом полости под действием гидростатических и капиллярных сил. Авторы не только пренебрегают различием в физической природе и математической постановке этих задач, но и разницей между процессами захлопывания канала в бесконечной жидкой среде и парогазового канала при ЛС [143, 80].
Часто для объяснения возникающих при сварке с глубоким проплавлением нестационарностей привлекаются представления о “времени энергонакопления”, в течение которого жидкий металл прогревается до определенной температуры и затем быстро оттесняется из-под луча в результате развития поверхностного испарения [1].
Известны также попытки описания канала проплавления как динамической системы второго [144] порядка. При этом в качестве времени релаксации фактически используется время “энергонакопления” . Динамические коэффициенты определяются из рассмотрения задачи о движении цилиндрического тела в заполненном жидкостью цилиндрическом стакане, однако такой метод не позволяет оценить эффективную “жесткость” системы. Более совершенный подход, основанный на строгом решении уравнения Навье-Стокса, использовался авторами [145, 146], но, к сожалению, уравнение решалось в одномерной постановке, а движением расплава вдоль оси канала, играющим основную роль в волновом движении на поверхности канала, авторы пренебрегли. В двумерной постановке, но для заранее фиксированной формы парогазового канала, подобная задача решалась в [147], хотя ранее этими же авторами были обнаружены капиллярные волны на поверхности парогазового канала [148]