焊接熔池

熔化焊接时，在热源作用下，焊件上形成的具有一定形状的液态金属部分被称的焊接溶池。弧焊过程中，电弧下的熔池金属在电弧力的作用下克服重力和表面张力被排向熔池尾部。随着电弧前移，熔池尾部金属冷却并结晶形成焊缝。

焊缝的形状决定于熔池的形状,熔池的形状又与接头的形式和空间位置、坡口和间隙的形状尺寸、母材边缘、焊丝金属的熔化情况、熔滴的过渡方式等有关。接头的形式和空间位置不同，则重力对熔池的作用不同。焊接工艺方法和规范参数不同,则熔的体积和熔池的长度等都不同。平焊位置时熔池处于最稳定的位置,容易得到形良好的焊缝,在生产中常通过焊接变位机等装置使接头处于水平或船形位置进行焊接。而在其他空间位置焊接(横焊、立焊、仰焊、全位置焊)时,由于重力的作有使熔池金属下淌的趋势,因此要采取特殊措施(例如施加脉冲电流等)控制焊缝成形。当坡口和间隙、焊接规范参数等不合适时，也有可能产生焊缝成形方面的缺欠。2100433B

由于具有高功率密度、高精度、高速度、高效率和低变形等突出优点，激光焊接已经越来越广泛的应用在异种金属的焊接上，在航空航天、汽车、电子等领域中发挥着重要作用。然而，异种金属的激光焊接是一个多场、多尺度、多参数的动态复杂过程，涉及到众多物理现象。金属热物性参数的差异易使接头产生残余应力和变形，以及脆性金属间化合物，影响异种金属的激光焊接的性能和质量。其中，焊接熔池的动态特性是异种金属激光焊接中的核心问题，决定着焊件凝固后最终的力学性能。本课题从制造工艺力学的角度，通过深入研究焊接过程中的传热传质机理, 开展温度场、流体速度场、浓度场以及气-液界面演化等动态过程的耦合模拟分析，探索传热传质和熔池流体流动对力学行为的影响机制，从而进行工艺参数的定量分析与优化，获得所需要的组织和力学性能，提高异种金属激光焊接的效率和质量，满足异种金属激光焊接在不同领域的特定需求，进一步推动其在工业各领域的成功应用。

针对中厚板结构焊接制造面临的效率、质量和成本问题，基于工程热物理与材料焊接加工的学科交叉，研究了受控脉冲穿孔等离子弧焊接新工艺所涉及的熔池与小孔动态耦合传热特性。解决的关键问题和创新性研究成果概述如下： （1）自主研制了“受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统”，搭建了穿孔等离子弧焊接熔池与小孔传热特性的实验研究平台。（2）在不同工艺条件下测试了熔池内小孔的形状尺寸与位置信息，揭示了熔池穿孔过程各阶段小孔特征参数的动态演变规律。（3）实现了双视觉传感器的信息融合，同步获取了工件背面的小孔图像及熔池温度场图像。选用合适的采集窗口，利用单一CCD摄像头获得了熔池与小孔的一体化图像。（4）基于熔池表面的受力状态，建立了小孔形状的瞬态模型，定量分析了受控脉冲条件下熔池内小孔在一个脉冲周期内“形成-长大-缩小-闭合”的周期性演变过程。（5）建立了穿孔等离子弧焊接三维瞬态流场与热场的数值分析模型，追踪小孔界面的演变过程，实现了带有瞬态变化小孔的熔池流体流动与传热过程的数值模拟。（6）综合上述的理论与实验研究结果，优化了受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺与系统，实现了中厚度不锈钢板的优质、高效、低成本焊接。 总结研究结果，已经发表论文67篇。其中，国际期刊论文18篇、国内核心期刊论文19篇、国际会议论文19篇、全国性会议论文11篇。在美国出版英文专著1部。申请中国发明专利1项。发表的论文中，被SCI收录22篇、EI收录12篇。在国际会议做大会报告(Keynote) 2次、特邀报告(Invited) 4次。 2100433B