鋁合金電子束掃描表面處理熔池流場和溫度場的仿真與實驗研究.pdf

1、鋁合金因其密度小、易成型等特點,被廣泛應用于各工業(yè)領(lǐng)域,但鋁合金耐磨性差、硬度低,在很大程度上限制了其應用范圍。對鋁合金進行表面強化處理可提高材料表面的硬度和改善耐磨性,電子束表面處理技術(shù)是有效方法之一。
　　本研究是在傳熱學的基礎上,結(jié)合電子束掃描表面處理的實際情況,建立了有限元仿真模型;分析了電子束掃描表面處理的加熱與冷卻過程中的溫度場的分布規(guī)律;通過有限元仿真獲得熔池的幾何形狀與大小;討論了電子束工藝參數(shù)對熔池大小及溫度場的

2、影響規(guī)律。在傳熱學與流體動力學的基礎上,建立了電子束掃描表面處理熔池流場的仿真模型;研究了熔化過程中液態(tài)金屬的流動規(guī)律和流動過程中溫度場的分布規(guī)律;討論了電子束工藝參數(shù)對考慮流動因素時的流場與溫度場的影響規(guī)律。利用HDZ-3型號的電子束焊機對6061鋁合金進行電子束掃描表面處理,掃描方式為直線掃描,利用金相顯微鏡和顯微硬度測試機,分析了硬化層的組織和性能;討論了電子束工藝參數(shù)對硬化層組織和性能的影響規(guī)律。有限元仿真方法獲得的電子束工藝參

3、數(shù)以6061鋁合金為基材進行實驗,分析了掃描處理硬化層的組織和性能,驗證溫度場仿真模型的合理性。結(jié)果表明:電子束表面處理過程中溫度場及熔池流場的分布是一個瞬態(tài)過程,熔化區(qū)域的界線呈拋物線狀;熔池的深度為1.72 mm,寬度為4.07 mm。在電子束表面處理過程中,試樣的表面溫度分布均勻,試樣橫截面處的溫度分布由表及里呈梯度分布,最高溫度在束斑中心作用區(qū)域,大小為1024℃。在試樣冷卻過程中,經(jīng)冷卻5 s后,試樣的整體溫度升高,其均值約為

4、535℃,冷卻速度可達到85.16℃/s。電子束束斑作用區(qū)域內(nèi)流體的流向與束斑區(qū)域外的流向不同。在束斑作用區(qū)域內(nèi),液態(tài)金屬由束斑中心(熔池中心)的高溫區(qū)域沿試樣厚度方向向下流,將熔池上部分的熱量帶到了熔池底部,加速了熔池底部金屬的熔化,然后從熔池底部沿熔池的界線向熔池頂部流動。在束斑中心處液態(tài)金屬流速最大(0.28m/s),在熔池底部流速最小(0.11 m/s)。在其他工藝參數(shù)不變的情況下,溫度場的最高溫度、熔池內(nèi)的最大流速及熔池深度、

5、寬度均隨著下束時間 t和加速電壓 U的增加呈非線性增加,隨著束斑直徑d的增加呈非線性減小,且束斑直徑的增加對熔池寬度方向的影響較大;隨著表面張力系數(shù)的增加,熔池內(nèi)流體的流動速度增加,溫度場的最大值在減小;通過改變表面張力系數(shù)的值分析流體流動對溫度場的影響,考慮流動因數(shù)時溫度場的最高溫度為820℃,不考慮流體流動時的最高溫度為1024℃,得出熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動對試樣的溫度分布有較大影響。利用電子束焊機對6061鋁合金進行電子束掃描處理,