Численное моделирование процесса электронно-лучевой сварки с продольной осцилляцией луча на основе экспериментально определенной формы канала проплавления

Исследование посвящено изучению процесса электронно-лучевой сварки с глубоким проплавлением с применением осцилляции пучка при различной фокусировке на примере стали 15Х5М. Рассматривается влияние продольной осцилляции пучка и её параметров на форму канала проплавления, характер протекания процессов тепломассопереноса и параметры сварных швов для разработки методических рекомендаций по электронно-лучевой сварке с осцилляцией пучка. Представлена численная трёхмерная математическая модель электронно-лучевой сварки, основанная на совместном решении уравнений теплопроводности и Навье-Стокса в подвижной системе координат, с учётом фазовых переходов на границе раздела твёрдой и жидкой фазы. Граничные условия на свободной поверхности сварочной ванны и стенках канала представлены термокапиллярной конвекцией (эффект Марангони). В качестве входных параметров использовалась форма канала проплавления и распределение энергии пучка по стенкам канала, определённые на основе экспериментальных данных по параметрам вторичного сигнала в плазме над зоной сварки с помощью метода синхронного накопления. Форма канала аппроксимирована усечённым конусом со сферической вершиной. Такой подход избавляет от необходимости учета всех сложных факторов, оказывающих воздействие на формирование канала проплавления. Расчёты тепловых и гидродинамических процессов производились на кластере с использованием пакета моделирования COMSOL Multiphysics. Сравнение расчётных и экспериментальных поперечных сечений сварных швов показали хорошее соответствие. С помощью предложенной методики в ходе исследований были выявлены характерные особенности распределения мощности пучка при различных режимах фокусировки. Проведен анализ значимости различных факторов на формирование геометрии проплавления.