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1、不銹鋼與鎳激光焊接的傳熱傳質研究

2、Inconel718對應國產牌號 GH4169化學成分表 Inconel718管材密度

不銹鋼與鎳激光焊接的傳熱傳質研究

4.3，將計算結果與實驗結果進行比較，doi.org/10.1016/j.apsusc.，圖8 江蘇激光聯盟陳長軍的原創作品是鐵濃度在不同位置的變化。

脈沖激光點焊廣泛應用于航空航天、電信和醫療行業的要求。近幾十年來，隨著原材料成本的上升，為特定產品選擇單一金屬的成本可能很高。設計師和工程師提供不同的金屬和合金。與傳統的單一材料制造方法相比，這通常帶來技術和經濟優勢，如。

高強度不銹鋼可與鎳等防腐金屬結合，承受高壓容器中的機械負荷和化學腐蝕。（a–f）在兩種情況下，在加熱期間顯示不同的時間表，圖中的輪廓值表示Kelvin黃紅部分代表單位溫度的液體區域。

可以看出，在這兩種情況下，遠離熔池的溫度場在不同時間是相似的，這表明在傳統焊接力學中忽略了流體流動和質量傳輸。

對于靠近熱源的區域，情況完全不同，對于情況1，熔合區域更深、更窄、半球形，這是由于能量僅通過熱傳導從激光束中心徑向傳輸，整個矩形計算區域分為小矩形控制，控制方程通過控制體積法在交錯網格上離散。

計算單元中心存儲壓力、溫度、物種濃度等標量，速度重量存儲在相應的單元表面中心，基于數值解的一般框架SIMPLEC算法，使用159×160×熱源附近使用50網格的不均勻網格，更小網格間距為20μm，上表面用于數值模擬的網格如圖2所示。

圖1

圖6和圖7顯示了鐵在頂面和橫截面上的不同時間。對于上表面，由于混合時間不足，原60 ms熔池中鐵元素分布不均勻，60ms金屬兩側繼續熔化，熔池尺寸繼續擴大。

然而，對于橫截面，鐵元素是60ms分布不均勻，特別是在固液界面附近，鐵在橫截面上均勻分布時間較長，約為90 ms。

因此，由于溫度梯度和濃度梯度，上表面的傳質速度比橫截面快。Marangoni應力，上表面對流強，元素分布不均勻會導致較大Marangoni據報道，應力反過來會加速流體流向的輸送質量。

本文對不銹鋼-鎳不同熱電偶的激光點焊進行了試驗。3.工作空間頂部激光束的入射通量為高斯分布。激光焊接需要均勻的溶質分布，因為合金元素的不均勻分布可能會嚴重影響焊接部件的機械?；旌系木鶆蛐院陀纱水a生的濃度分布主要對流引起，有助于預測成分分布。更佳激光焊接需要適當的顯微組織和目標機械性能。

然而，由于兩種金屬的物理化學性質（如導熱系數、熱容量、熱、散熱不足等問題，由于溶質稀釋或熱處理不當，脆性金屬間化合物可能使接頭容易開裂和故障，選擇合適的熱處理溫度和金屬材料成分是為了解決這些問題，這需要適當的激光焊接參數。

然而，許多測試這些參數似乎耗時，傳熱傳質的數值模擬有助于預測不同工藝參數下的溫度。圖10顯示了計算和實驗元素分布的比較，掃描軌跡如圖9所示（c）計算結果與實驗結果一致，通過Marangoni對流和質量擴散。

根據Fe–Ni二元相圖，凝固過程中溶質分布不明顯，將實驗確定的熔池橫截面與圖9中相應的計算結果進行比較，觀察到2的幾何形狀和尺寸與實驗結果一致。

由于固體鎳的高導電性，鎳側熔合區的尺寸小于激光束的半徑(1).00 mm），相反，不銹鋼側熔合區(1.4mm）它比激光束的半徑大得多，上圖顯示了接頭S1的OM橫截面形態。

虛線表示EDS圖b顯示了線掃描的位置Fe（K）和Cu（K）從相應的強度分布可以看出Cu和Fe板間混合區有少量氣孔和接頭S在2的混合區域，裂紋和孔隙幾乎被消除，如圖c所示，圖d顯示沿圖3c所示線的EDS通過比較圖3b和圖3d中的結果。

可以看出，板厚和激光功率對混合區銅元素的分布很重要。值得注意的是，由濃度梯度引起的Marangoni應力總是傾向于，因為在這種平衡條件下，它的勢能更低。然而，這并不一定意味著在任何激光處理過程中，當非平衡分配系數時，元素分布都應該是（kp）遠離單位時。

其他因素，如脈沖持續時間短或掃描速度快，導致混合時間不足，或溶質在快速凝固過程中重新分布不容忽視，會導致分布不均勻。在不同的金屬激光焊接中，其他復雜的問題，如合金中的活性元素、氣孔、孔形成和表面張力變化，也了挑戰。

4.結果和討論。5.主要元素的二元相圖用于研究合金凝固。5.結論是基于焊接熔池中的質量、動量、能量守恒和溶質運輸方程，對不銹鋼-鎳不同熱電偶的激光點焊進行了實驗和數值研究。

采用三維傳熱傳質模型對焊接過程進行數值模擬，計算熔合區域的幾何結構和元素分布與相應的實驗結果一致，分析了流體流對溫度場及其進化的影響，遠離熔池的溫度場非常相似，但熱源附近的溫度場差異很大，在熔池形成后的早期階段，由于混合時間不足。

元素鐵在熔池中分布不均勻。在熔池形成的初始階段，質量傳輸速度更高，隨著時間的推移而降低。對流對不銹鋼和鎳的激光點焊過程中的傳熱和傳質有顯著影響。

圖3 在兩種情況下，江蘇激光聯盟陳長軍指南：2。焊接在傳導模式下進行，熔池的自由表面平坦，不考慮兩個工件之間的熱接觸電阻。在兩種情況下，兩個位置之間的溫差進化也不同，在加熱過程中。

情況2兩個位置之間的溫差遠小于情況1，因為流體流動有助于增強從熱零件到冷零件的熱傳輸。激光關閉后，熔池凝固，流體流動減弱并迅速消失。

熱傳遞的主要機制是熱傳導。鎳側的溫度下降速度比不銹鋼側快。由于鎳的導熱性較高，與加熱期相比，兩個位置之間的溫差增加。

情況1略有不同。雖然不銹鋼的導熱系數較低，但加熱過程中產生的高溫梯度會產生相當大的熱流，導致冷卻過程中兩個位置之間的溫差較小。1.假設熔融金屬為牛頓型，不能壓縮。

并使用Boussinesq由于溫度和濃度，流體是層流，4.2.實驗中使用304不銹鋼和鎳，焊接前用丙酮清潔表面。

有五軸數控工作站的1kW Nd:YAG聚焦激光束采用150mm焦距透鏡，離焦距為9.5mm，樣品頂面對應的光束半徑為1.0mm，使用650 W激光功率，相互作用時間為5000 ms，圖1顯示尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的。

圖4 在兩種情況下，傳統的計算焊接力學專注于熱應力和應變場、結構變形和溫度場。為了簡單起見，使用傅立葉熱傳導模型來預測溫度場的演變。然而，在不同的金屬焊接過程中，熔池中的流體流動可能會影響傳熱。

采用聚焦在鋼側的激光焊接銅-鋼接頭，影響溫度場和成分分布：（a）接頭S1，（b）通過EDS掃線接頭S1的Fe（K）和Cu，（c）接頭S以及宏觀組織（d）通過EDS掃線接頭S2的Fe（K）和，圖2 數值模擬網格采用頂表面。

不銹鋼-鎳異熱電偶激光采用三維瞬態數值模型研究，熔合區的幾何形狀和元素分布與實驗結果一致。調查的一些重要發現如下：近幾十年來，傳熱和流體流動的計算模型被用來了解類似的金屬焊接應用，He在自由表面平坦的假設下，等人研究了不銹鋼激光點焊過程中溫度場和速度場的演變，數值研究了硫、氧等表面活性元素的存在或不存在。

熔池表面溫度梯度引起的Marangoni–Ben，利用各種模型研究合金傳導模式激光焊接元素蒸發生產，激光加工固液界面不平衡凝固性和溶質分布，大多數模型基本遵循固定網格法，采用焓孔隙公式處理固液相變，峰值溫度總是在304不銹鋼一側，對于情況2，由于其導熱系數遠低于鎳。

當考慮流體流量和質量傳輸時，峰值溫度由于更大熱輸入通量而移動到激光束中心。當表面張力的溫度系數為負時，流體從激光束中心（表面張力較?。┝鲃拥饺鄢赝鈬?/p>

因此，情況2的峰值溫度遠低于情況1(2423) K vs ，在加熱過程中，熔池中的溫度梯度較小，圖4（a–d）冷卻循環期間計算的溫度顯示了兩種情況。激光關閉后，情況2的熔池只保持液體30 ms。

情況1的時間要長得多(約140 ms），圖7 在（a）10ms鐵沿橫截面的濃度分布在不同時間內，（b） 30ms，（c） 60ms，（d） 90ms，（e） 120ms和（f）500ms，圖6 在（a）10ms不同時間。

上表面鐵的濃度分布，（b） 30ms，（c） 60ms和（d）500ms，溫度梯度對熱應力的產生至關重要。溫度本身影響應力-應變關系。根據局部溫度和熔化溫度的比例，指定的結構模型可能會有所不同，從速率上與塑性無關（小于0.5)與速率相關的塑性(0).5。

因此，應研究溫度和溫度梯度的演變，圖5顯示距離熱源0.5 mm如圖所示，當溫度超過固相線時，情況2的冷卻速度要高得多。

這可以歸因于流體流動。除熱傳導外，流體流動還將熱量從熱部件傳遞到冷部件作為另一種機制，使熱部件冷卻更快。 實驗（a）和計算（b）元素分布，（1）在兩種情況下給出了模擬結果，以解釋流體流動對傳熱的重要性，遠離熔池的溫度場不受流體流動的影響。

然而，對于靠近熱源的位置，當考慮時，加熱過程中的峰值溫度和溫度梯度會降低，冷卻速度會增加，熔池凝固速度會更快。

圖5 焊接熱循環在不同位置，3.數學建模，圖9 （a）熔池橫截面的模擬1試驗和計算，（b）模擬情況2，（c）實驗，(2)90ms熔池中后鐵元素分布均勻。

由于對流強，物質在上表面的傳輸速度快于橫截面。在熔池形成的初始階段，質量傳輸速度更高。

由于對流強，物質在上表面的傳輸速度快于橫截面。在熔池形成的初始階段，質量傳輸速度更高。

}　　來源：Heat and mass transfer，Applied Surface Science，本文建立了不銹鋼與鎳激光點焊的三維傳熱傳質模型，分析了不同時刻的溫度