在焊接技术领域，电子束焊接（EBW）是一种能够在真空环境下进行的高效焊接方法，特别适合于铝合金等材料的连接。然而，焊接过程中孔隙缺陷的形成是一个亟待解决的问题，这会严重影响焊接接头的性能。为了深入理解孔隙缺陷的形成机制并提出解决方案，哈尔滨工业大学的研究团队建立了一个三维瞬态模型，用于模拟2A12铝合金电子束焊接过程中的匙孔形态和熔池流动行为。计算流程和模型设置如图1。![]()
图 1 计算流程示意图
研究首先通过实验验证了模拟结果的准确性。实验使用了2A12铝合金材料，采用KL110电子束焊接机进行焊接。通过精确控制焊接参数，确保了焊接试样的表面质量和焊接过程的稳定性。实验结果表明，随着焊接速度的增加，熔池壁的斜率增大，金属蒸汽腔体减小，匙孔稳定性得到提高。在高速焊接条件下，熔池边缘的液态金属流向匙孔，并与匙孔附近的液态金属汇合，有利于金属蒸汽的逸出。研究团队建立的三维瞬态模型，分析了焊接过程中匙孔的稳定性和熔池流动行为。模型考虑了焊接热输入、匙孔穿透和焊接速度等因素对熔池流动的影响。模拟结果表明，随着焊接速度的增加，匙孔的稳定性得到提高，孔隙缺陷的形成得到有效控制。研究还发现，穿透焊接不仅减少了金属蒸汽腔体，还增加了逸出通道，缩短了逸出路径，有利于金属蒸汽的逸出和孔隙缺陷的减少。研究结果对于优化电子束焊接工艺、提高铝合金焊接接头的质量具有重要的指导意义。通过调整焊接参数，特别是焊接速度和热输入，可以有效控制孔隙缺陷的形成，从而提高焊接接头的强度和韧性。这项研究不仅为铝合金的电子束焊接提供了理论支持，也为其他材料的焊接工艺优化提供了参考。![]()
图2 匙孔演化过程。(a)2.2ms；(b)3.2ms；(c)4.2ms；(d)5.2ms；(e)6.2ms；(f)7.2ms。
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图3 不同功率和焊接速度下10ms横截面和纵截面的匙孔形貌。(a)P=1200W；(b)P=1400W；(c)P=1600W；(d)v=360mm/min；(e)v=420mm/min；(f)v=480mm/min；(g)窄桥；(h)金属蒸气腔。
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图4 不同焊接速度下熔池的流动形态。(a)熔池表面(v=360mm/min)；(b)熔池表面(v=420mm/min)；(c)熔池表面(v=480mm/min)；(d)熔池(v=360mm/min)；(e)熔池(v=420mm/min)；(f)熔池(v=480mm/min)。
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图5 不同工艺下的孔隙分布及试验验证。(a)Ib=18mA，v=480mm/min；(b)Ib=22mA，v=480mm/min。
相关研究成果以“Numerical simulation of keyhole
morphology and molten pool flow behavior in aluminum alloy electron-beam
welding”为题发表在International Journal of Heat and Mass
Transfer 138 (2019) 879–888上，论文第一作者为Guo qing Chen，通讯作者为Guo qing Chen。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.04.112
