激光深熔焊熔池形成过程的数值模拟

激光选区熔化过程中熔池温度场及形貌演化的数值模拟作为当前制造业的前沿技术,激光增材制造能够实现高性能金属构件的无模具、高柔性、快速近净成形,具有非常广阔的应用前景。

激光增材制造主要包括激光立体成形和激光选区熔化两种技术。

对激光选区熔化而言,其过程涉及复杂多物理场耦合行为,仅通过实验观测很难获得精准的熔池形貌、尺寸及温度场等演化信息,从而限制了成形质量的控制与优化。

数值模拟技术具有易操作、成本低等优点,为激光选区熔化研究开辟了一条有效途径。

本文采用FLOW-3D模拟软件,研究了TC4钛合金激光选区熔化单层单道以及单层多道扫描过程中熔池温度场分布和形貌的演化规律,探讨了激光选区熔化过程中成形缺陷的形成原因,并阐述了熔池流动演化规律及机理,研究结果可为激光选区熔化工艺参数选择及优化提供指导。

论文的主要结论如下:1.获得了不同工艺参数下,激光选区熔化熔池温度场及形貌尺寸的演化规律。

随着扫描功率的增加,熔池最高温度随之增加,熔深和熔宽也增加;而随着扫描速度的增加,熔池最高温度降低,熔深随之也降低,但熔长反而增大;同时发现,当粉末颗粒粒径较小时,能够获得优异的表面质量。

以表面粗糙度为量化标准,确定了最优工艺参数为:激光功率P=500W,扫描速度v=0.8m/s,粉末粒径d=15xm-30μm。

2.球化现象形成最根本原因是粉末层没有吸收到足够的热量而使基板熔化,提高激光功率和降低粉末层厚度是有效消除球化现象的有效方法;而随机排布的粉末在熔池边缘与熔池不规则粘附必然导致不平直现象,细化颗粒可有效减小但不能彻底消除扫描过程中的单道不平直现象。

3.获得了多道扫描过程中扫描路径和扫描间距对熔池缺陷的影响规律。

相对于S型扫描路径,Z型扫描方式能够有效消除折返处的热量积累;扫描间距应等于单道有效宽度,即基板熔化区域的宽度,这样能够有效提高熔化沉积效率和能量利用率。

4.随着激光输入能量的增大,熔池内的对流加速了传热传质,熔池内的流体由内向外传输,熔池变得宽而浅,能得到致密的粉末层,熔池内的熔体有明显从高温区向低温区运动的趋势;反冲压力除了使光斑处产生凹陷,也使熔池有向后流动的趋势。

激光制造中光束熔化过程的数值模拟激光制造中的光束熔化过程是现代制造业中一项重要的技术，它能够将高密度的能量精确定向到材料表面，使其在瞬间熔化并凝固成为所需要的形态。

在激光制造工艺中，光束熔化过程的数值模拟是至关重要的，它可以对加工过程中的温度、速度、形态等参数进行预测和分析，从而帮助制造工程师优化加工参数，提高制造效率和品质。

一、激光制造中的光束熔化过程激光制造是一种高精度、高效率的制造技术，它使用激光束将能量定向到材料表面，使其熔化或蒸发，并以特定的形态凝固成为所需的工件。

光束熔化是激光制造中最常用的加工方法之一，它通过光束对工件表面进行扫描，使材料表面经过高密度的能量瞬间熔化，形成液态态的金属或塑料，随后再利用冷却过程使其凝固形成所需要的形态。

二、光束熔化过程的数值模拟光束熔化过程的数值模拟是激光制造过程中的重要环节，它可以对加工过程中的温度、速度、形态等参数进行预测和分析，从而帮助制造工程师优化加工参数，提高制造效率和品质。

数值模拟方法可以基于几种光束熔化的物理过程，如热输运、相变、流体力学等，使用数学模型对加工过程进行建模和仿真。

通常，数值模拟方法可以在计算机上执行，可将实验成本降至最低，同时大大减少加工发生错误的风险。

在模拟过程中，工程师通常使用有限元或有限体积法对材料、能量传输、相变、流体力学等问题进行建模和求解。

这种方法是编程复杂，需要相应的数学和物理知识。

三、数值模拟在激光制造中的应用实例数值模拟的应用使工程师能够更快地理解激光制造的物理特性，并使他们能够针对特定应用场合制定最佳加工方案。

以下是数值模拟在激光制造中的一些典型应用场景：1.优化激光加工参数数值模拟可以为激光加工过程提供深入的了解，从而发现材料的变化、熔池的形成和热应力等问题。

这些都有助于工程师进行参数优化，以实现更高的精度、更高的效率和更高的质量。

2.预测材料变化和形变数值模拟也可以帮助工程师预测熔化和固化过程中材料变形和形状变化。

大功率激光焊接熔池特性数值模拟的开题报告
题目：大功率激光焊接熔池特性数值模拟
导师：XXX
研究背景和意义：
激光焊接是一种高效、无污染、高质量的焊接技术，已广泛应用于航空航天、汽车制造、电子制造等领域。

激光焊接中的熔池特性是影响焊接质量的重要因素之一。

通过数值模拟，可以预测熔池形成、形态和温度等特性，为焊接参数优化提供指导，同时也降低建设实验室的成本和时间。

研究内容和方法：
1.建立大功率激光焊接熔池数值模型。

2.利用数值模拟方法，预测熔池形成、形态和温度等特性。

3.通过实验验证模型的准确性。

4.优化焊接参数，提高焊接质量。

研究目标：
1.建立大功率激光焊接熔池数值模拟模型，研究激光能量密度、焊接速度、板厚等参数对熔池形态和温度分布的影响。

2.通过数值模拟和实验验证，探究影响焊接质量的因素，优化焊接参数，提高焊接质量。

预期成果：
1.建立基于有限元方法的大功率激光焊接熔池数值模拟模型。

2.验证模型准确性，研究焊接参数对熔池形态和温度分布的影响。

3.通过数值模拟和实验验证，优化焊接参数，提高焊接质量。

参考文献：
1. 吕友华. 激光高速焊接的数值计算和实验研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2006.
2. 肖克, 程骁帆, 陈汉韬. 基于熔池数值模拟的激光高功率深熔焊缝质量研究. 焊接学报, 2016, 37(7):1-6.
3. 张乾, 黄朝贵, 宋兆文. 多传感器表面测量技术在大功率激光焊接中的应用. 焊接学报, 2018, 39(10): 1-6.。

热流 密度服从 高斯 分 布 ， 圆 心处 的热 流 密度 ｑ Ｏ ０ 在 （，，
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小 。该 热源模 式 的数 学 表达式 为
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收 稿 日期 ： ０ ８— ９—１ ２０ ０ ７
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激 光深熔 焊接 涉及 的热 物理 过程 复杂 ， 尤其是有关 小孔 生成和长大 的物理机 制 的分 析 和描述 还很 不 完善 。 单纯通 过试 验 的方法 进行研 究 成本 太 高 ， 采用 数值 分 而
析 的方法 获得一些理 ｆ 生的认 识并结合试 验验证不 失为对 该工艺进行研 究 的有效方 案 Ｊ 。文 中采用 旋转 高斯 曲
式 中 ： ， 为上表 面 的单位 法 向矢 量 ； 为激光 传 递给 工 ｌ ｇ 件 的热 流密度 ， 见式 （ ）ｇ 为对 流和 辐射散热 ； ６ ； ｑ 为蒸

收稿日期:2008-02-18第28卷第3期应 用 激 光Vo l.28,N o.32008年6月APPLIED LASERJune 2008高强钢激光穿透焊熔池温度场数值模拟陈军城, 俞海良, 芦凤桂, 唐新华(上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室,上海200240)提要 深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点,选取指数衰减热源模型建立了高强钢激光穿透焊接熔池温度场三维数值模型。

利用A N SYS 有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟,并且通过CP800钢激光焊接试验验对模型进行了修正。

计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好,这验证了本文所建高强钢激光穿透模型的可靠性。

关键词 高强钢; 激光焊接; 温度场; 数值模拟Num erical Simu lation for T empe ratu re Fie ld in Molten Pool of Dee p P enetration Laser W elding of High S trength S teelChen Juncheng , Y u H ailiang, L u F eng gui, T ang X inhua(Shanghai J iao Tong Univer sity Shanghai key Laborator y of Mater ials L aser Pr ocessing and Modif ication,Shanghai 200240,China )Abstract T he char acter of keyho le model in deep penetr atio n laser w elding is deeply analy zed.Based on that,the appro pr iate three -dimensional mathematical mo del fo r the t emperat ur e field w ere dev eloped accor ding t o an ex po nential attenuatio n heat -source mo del.By using AN SYS,laser welding temperature fields ar e simulated and the suitability o f the model w as mo dif ied by laser w elding of CP 800steel.Calculated r esult s fro m the models ar e found to agr ee w ith t he experimental r esults for the geome -try pr ofile of w eld,w hich has also validat ed the dependability o f the abov e -mentioned mo del.Key words H ig h st rength steel; laser w elding; temperature field; numer ical simulat ion1 引言激光焊接作为一门新的材料加工技术,与传统的焊接方法相比具有非接触、无污染、低噪音、高效率等优点。

激光焊接接头熔池行为模拟与实验验证激光焊接是一种高效、精确的焊接方法，广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。

在激光焊接过程中，焊接接头的熔池行为对焊接质量至关重要。

本文将探讨激光焊接接头熔池行为的模拟与实验验证。

激光焊接接头熔池行为的模拟是通过数值计算方法对焊接接头的热传导、熔池形成与流动等过程进行模拟，以预测焊接接头的熔池形状和尺寸。

熔池行为模拟的关键是建立准确的热传导模型和流体流动模型。

热传导模型考虑了激光能量的输入、传导和散失，以及材料的热物性参数。

流体流动模型考虑了熔池的表面张力、粘度和重力等因素对熔池形状和流动的影响。

激光焊接接头熔池行为的模拟可以帮助优化焊接参数，提高焊接质量。

通过模拟可以预测焊接接头的熔池形状和尺寸，进而确定合适的焊接速度、功率和焦距等参数。

模拟还可以预测焊接过程中可能出现的缺陷，如气孔、裂纹等，从而采取相应的措施进行修复或调整焊接参数。

通过模拟可以大大减少试验成本和时间，提高焊接效率和质量。

然而，激光焊接接头熔池行为的模拟仍存在一些挑战。

首先，热传导和流体流动的模型建立需要准确的物理参数，如材料的热物性参数、表面张力和粘度等。

这些参数的准确性对模拟结果的精度有很大影响。

其次，模拟过程中需要考虑激光能量的空间分布和时间变化，这对计算方法和计算资源提出了较高的要求。

此外，模拟结果的验证也是一个重要的问题，需要与实验结果进行对比和分析。

为了验证激光焊接接头熔池行为的模拟结果，需要进行实验验证。

实验可以通过高速摄像技术观察焊接过程中熔池的形成与流动，从而获取实际的熔池形状和尺寸。

实验还可以通过金相显微镜观察焊缝的微观结构和缺陷情况，以评估焊接质量。

实验结果与模拟结果进行对比和分析，可以验证模拟的准确性和可靠性。

激光焊接接头熔池行为的模拟与实验验证是一个相互促进的过程。

模拟可以为实验提供参考和指导，指导实验参数的选择和实验过程的设计。

实验结果可以为模拟提供数据和验证，提高模拟结果的准确性和可靠性。

高强钢激光深熔焊接温度场的数值模拟摘要：建立了复合热源作用下的三维高强钢CO2激光焊接有限元分析模型，对高强钢板CO2激光焊接进行基于ANASYS平台的焊接过程数值模拟。

焊接热源分为沿工件表面的高斯热源和沿激光入射方向的柱状热源两部分组成，获得了焊接温度场分布及熔池温度形态分布。

结果表明，激光焊接温度场是一组具有梯度的以焊接方向为长轴的椭圆。

光斑中心前半部分的等温线较为密集，后半部的等温线较稀疏，且离光斑越远，温度梯度越小。

熔池高温时间短，焊缝截面熔深大，表现出了激光焊接热量集中、穿透力强的特点。

试验所得的熔池温度场界面与试验结果吻合良好，对于分析其复杂的温度场具有一定的理论意义。

关键词：激光焊接；数值模拟；焊接温度场激光焊接技术与传统的焊接方法相比，激光焊的焊接速度快、生产效率高；焊缝深宽比大，热输入小，接头热影响区小，焊接变形小。

［1］激光焊接是一个复杂的物理化学过程，［2］熔池反应激烈，利用试验方法对温度场进行研究存在诸多的困难。

而且仅仅依靠进行大量的试验进行积累数据而制定适合的激光焊接工艺往往不切合实际，也不经济。

而通过采用数值模拟的方法，建立符合实际的有限元模型，往往会取得事半功倍的效果。

因此，本文就常用的CO2激光焊接采用复合热源对建立的三维有限元模型进行加载，针对高强钢板的激光深熔焊接的温度场进行有限元模拟，具有一定的现实意义和应用价值。

1焊接温度场控制方程在区域Ω中热过程控制方程为：［3］式中：Q（x，y，z）：求解域中的内热源；c：材料的比热容；ρ：材料的密度；T：焊接温度场的分布函数；T：传热时间。

这些参数中λ，c，ρ都随温度变化。

上式为泛定方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微分方程的边界条件和初始条件。

焊接温度场的计算通常有以下几类边界条件：第一类边界条件，已知边界上的温度值：第二类边界条件，已知边界上的热流密度分布：第三类边界条件，已知边界上的物体与周围介质间的热交换：式中：qs：单位面积上的外部输入热源；nxβ：表面换热系数；Tα：周围介质温度；Ts：已知边界上的温度；nx，ny，nz：分别为边界外法线的方向余弦。

2019年第9期激光深熔焊接热过程数值模拟的研究进展冯燕柱①高向东①张艳喜①张南峰①全方红②（①广东工业大学广东省焊接工程技术研究中心，广东广州510006；②广东锻压机床厂有限公司，广东佛山528300 ）摘 要:激光深熔焊接过程涉及极其复杂的物理化学反应，数值模拟是研究激光深熔焊接过程的温度场、焊件应力与变形、熔池、匙孔演变与反冲压力等问题的基础,而热过程处理是激光深熔焊接数值模拟的关键点。

总结和分析了体热源模型、复合热源模型和自适应热源模型的发展情况，论述了材料热物 理性能参数在数值模拟中的使用情况，讨论了激光深熔焊接数值模拟中一些关键问题如边界条件，并指出了激光深熔焊接热过程数值模拟需要进一步研究的方向。

关键词:激光深熔焊接;热过程;数值模拟;热源模型中图分类号:TG40文献标识码:ADOI : 10.19287/j ・ cnki. 1005-2402.2019.09.005Research status in numerical simulation of thermal process in laser deep penetration weldingFENG Yanzhu ①,GAO Xiangdong®, ZHANG Yanxi ①,ZAHNG Nanfeng®, QUAN Fanghong®(①Guangdong Provincial Welding Engineering Technology Research Center , Guangdong University of Technology ,Guangzhou 510006, CHN ；②Guangdong Forging Machine Tool Factory, Foshan 528300, CHN)Abstract : The process of laser deep penetration welding involves extremely complex physical chemical reactions.Numerical simulation is the basis of studying the temperature field, stress and deformation of welding piece , melting pool , evolution of keyhole and recoil pressure , etc. Thermal process processing is the keypoint in numerical simulation of laser deep penetration welding. The development of bulk heat sourcemodel , composite heat source model and adaptive heat source model are summarized and analyzed ・ Theapplication of material thermal physical performance parameters in numerical simulation is discussed ・ Some key problems such as boundary conditions in numerical simulation of laser deep fusion welding are discussed , and the directions of farther research on the numerical simulation of laser deep penetrationwelding process are highlighted.Keywords : laser deep penetration welding ； thermal process ； numerical simulation ； heat source model 激光焊接是一种以高能量密度的激光束为热源的快速、精准的焊接方法，可分为热导焊和深熔焊,后者 是激光焊接中最常用的模式⑴。

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热源模型及参数
热源模型
激光深熔焊接中熔池与小孔如图 " 所示。 焊件
表面被加热、 熔化、 蒸发， 在蒸气压力的作用下形成 小孔， 当小孔产生的蒸气压力与熔池中液体金属的 静应力达到平衡时， 小孔是稳定存在的。 激光深熔焊由于小孔的穿透作用， 焊缝截面形 貌特征为钉形焊缝W,X。 只有选取合适的热源模型才能 对其温度场进行符合实际的模拟。 在选取热源模型
根据激光深熔焊熔池形貌连续激光焊的半径衰减函数选为抛物型衰减脉冲激光焊的半径衰减函数交流平台百家争鸣栏目得到了众多热心读者的好评大家纷栏目更能将读者作者市场紧密结合共同推动焊接技术的发展促进焊接行业的繁荣同时也为社会创造了更多的附加值在此电焊机杂志全体工作人员对关心和支持我们的各界朋友表示诚挚的谢意同时也请您能积极参与这样的栏目发表您独特的见解和新颖的观点
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激光深熔温度场数值模拟 热源模型分析
顾 兰， 薛忠明， 张彦华
北京 "###$%& !北京航空航天大学 机械工程学院，
热源模型是激光深熔焊温度场数值模拟分析的关键。 在分析连续和脉冲激光深熔焊焊缝形状特 摘要： 征的基础上， 构建了组合热源模型， 讨论了热源模型参数的确定方法。应用所建立的热源模型模拟分析 了激光深熔焊焊缝边界形状， 并与实验结果进行了比较。 激光深熔焊； 热源模型； 数值模拟 关键词： 中图分类号： 文献标识码： ’()# *
0 脉冲焊
图* 激光焊模拟熔池边界与实验焊缝熔合线的比较
函数 $#" $ 则依据能量平衡方程求出。

裙一毋缈试验研究ｒ蜷掳大功率激光焊熔池特性的数值模拟兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室（７３００５０）张瑞华陈磊中山职业技术学１究（５２８４０４）冷小冰．摘要用数值模拟的方法解释了大功率激光高速焊接时熔池呈窄而长形状的形成原因。

在ＰＨＯＥＮＩＣＳ３．４软件中建立了激光焊接的三维数学模型，假设ｄ，：ｆＬ呈ＧＡＵＳＳ曲面体形状，并在其上加载反蒸发力，重点考虑反蒸发力对熔池形状的影响，模拟了ＳＵＳ３０４不锈钢在激光功率１０ｋＷ、焊速为４～２０ｍ／ｍｉｎ时的熔池的温度场和流场。

计算结果表明，大功率激光高速焊接时喷发的等离子体加速了“匙孔”附近液态金属的流动，是大功率激光焊时产生长熔池现象的主要原因。

关键词：大功率激光焊小孔反蒸发力中图分类号：Ｔ（＊５６．７．。

一金属高速流动，对熔池内液体金属的流动造成了很大”的影响。

ＭａｚｕｍｄｅｒＭｏ对服从高斯分布的激光移动热源激光焊具有高能量密度、高效率、高精度、柔性好温度场进行了研究，考虑了保护气体对散热的影响，预等优点，已广泛应用于航天航空、汽车制造等材料加工测了ｄ，：ｆＬ的形状和大小。

Ｓｏｌａｎａ”１建立了激光焊三维领域。

随着现代技术的发展，激光焊的功率越来越大，模型，通过求解能量和压力方程，确定了未焊透熔池出现了１０ｋＷ的Ｆｉｂｅｒ激光焊新技术。

利用该方法可的形状。

梅汉华∞１考虑了激光束空间几何形状和能量以焊接１０ｍｍ的不锈钢板，焊缝宽度仅ｌｍｍ左右，是密度空间的分布状态，定量分析了激光束质量网子、导一种先进的焊接方法。

作者在利用该方法焊接时发现光系统和聚焦系统的光学参数和离焦量对ｄ，：ｆＬ和焊缝在激光功率为１０ｋＷ，焊速为４～２０ｍ／ｍｉｎ时熔池形状成形的影响。

目前对大功率激光焊时特有的长熔池现很长，如图１所示。

现有理论并不能很好解释这种长象的研究较少，文中利用数值模拟技术对该现象深入熔池形成的原因。

随着激光功率的增大，激光焊ｄ，：ｆＬ研究，解释长熔池形成的原因。

激光快速成形激光、粉末与熔池交互数值模拟1 前言激光快速成形技术是一项新的先进的制造技术,能够实现高性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具、近终形制造,在航空、航天、汽车等高技术领域具有光明的应用前景[1-2] 。

随着激光快速成形技术研究的深入开展,迫切要求发展建立能够准确描述激光熔覆过程的理论模型以准确把握其内在机理。

激光快速成形的核心是激光熔覆——激光熔化粉末并逐层堆积的过程（如图1），在此过程中熔池自由表面是激光能量和粉末质量进入熔池的自由界面，同时也是熔覆层生长的动态边界，所以粉末与熔池交互是激光快速成形过程不可回避的基本问题，而要实现高性能复杂结构致密金属零件的整体精确制造则必须建立可靠的激光、粉末与熔池交互，从而在此基础之上实现激光快速成形过程的模拟。

图1 激光熔覆粉末熔化与逐层堆积过程2 激光、粉末与熔池交互在激光快速成形过程中，由于激光加热和粉末流的输入，导致熔覆层的生长，而熔覆层的不断生长及逐层堆积又导致了成形件连续体域的不断变化，而成形件连续体域的这种变化又会影响动态温度场、流场的形成及发展，反过来，动态温度场、流场又会影响熔池对激光能量和粉末吸收，导致成形件连续体域的不断变化。

上述过程如图2所示。

图2 激光、粉末与熔池交互过程由图可以看出，熔覆层生长是粉末与熔池自由表面作用、粉末与熔池熔液混合流动及熔化最后凝固堆积的结果，粉末之所以能进入熔池是因为激光加热成形件表面形成温度场分布，而在熔池处的温度超过熔点，形成了粉末可进入熔池的窗口——液态的熔池自由表面。

熔池自由表面是成形件熔覆层生长的动态边界，是能量和质量进入的自由界面，所以激光、粉末与熔池交互伴随着熔池自由表面界面移动及熔覆层生长，是和熔池温度、流场及气/粉两相流场的形成及发展密不可分的。

总的来说，激光、粉末与熔池交互主要包括： a. 激光与粉末交互，包括粉末对激光的遮蔽、粉末温度的升高及激光能量的空间分布；b. 气粉两相流的形成及粉末在工件及熔池表面的空间质量分布; c. 粉末与熔池表面以及工件表面交互，包括粉末的被捕捉及反弹；d. 熔池自由表面界面移动及熔覆层生长，包括温度及流场及自由表面界面演化等几大问题。

张瑞华 1，樊丁 1，片山圣二 2
1 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，中国兰州（730050）
2 大阪大学，日本大阪（567-0047）
E-mail：zrh@
摘 要： 利用旋转 GAUSS 曲面体新型热源模型，忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响，
建立了移动激光热源作用下的三维数学模型。利用 PHOENICS3.4 软件，模拟了 SUS304 不 锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状，得到了不同焊接速度下的温度场分布
在熔池自由表面上,热表面张力与切应力相平衡：
− μ ∂u = ∂γ ∂T
∂z
∂T ∂x
;
− μ ∂v = ∂γ ∂T
∂z
∂T ∂y
（14）
式中：μ为流体粘度；γ为熔池金属表面张力。
1.2.2 侧表面和下表面的热边界条件
侧表面和下表面的热边界条件取为工件与环境间的对流与辐射传热条件。
1.2.3 y 方向中心对称面
密度；K 为材料热传导率；μ 为流体粘度；P 为压力；T 为焊接温度；Sx，Sy，Sz 分别为动量 方程在 x，y，z 方向上的源项；SH 为能量方程的源项。
能量方程的源项 SH 包括相变潜热和非稳态项、对流引起的相变潜热变化和移动热源引 起的相变潜热变化[8]。
SH
= − ρL[ ∂f ∂t
+
(u
图２ 旋转 Gauss 曲面体热源模型 Fig.2 Rotary-Gauss body heat source model
-3-

具体表达式为：
⎡
⎤
q(x, y, z) = 3
cs
Q
⎢ exp⎢
− 3cs

激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析张建斌;张健;樊丁;黄健康【摘要】针对连续激光深熔焊接,考虑表面张力、气化压力、浮力和液固之间内部作用力,以及熔池内层流、辐射和气液界面传热传质等因素,建立连续激光深熔焊接激光热源随熔深变化的自适应模型和小孔填充模型,并对熔池的深度、温度分布、流场分布以及相同焊速、不同功率下小孔的动态演变过程进行分析.结果表明:运动熔池形成过程中,焊速为0.08 m/s,功率分别为1 600、2 000、2 400W,焊接时间t ＜7.2 ms时,小孔深度随时间成线性增长,当焊接时间t＞7.2 ms时,小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定;随着激光光束的移动,熔池金属绕过小孔,从小孔前部熔池流向后部形成环流,凝固形成“鱼鳞状凝固线”.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2015(041)002【总页数】5页(P22-26)【关键词】激光小孔;VOF;气化压力;动态演变【作者】张建斌;张健;樊丁;黄健康【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TG456.7连续激光深熔焊接其本质是存在小孔效应的焊接过程,其动态演变过程(形成、维持、闭合)对焊缝深度以及焊接质量有着决定性的影响.熔池中出现小孔时,小孔与熔池相互影响,小孔形状和尺寸的改变直接影响到熔池中流体流动和传热过程；而熔池液态金属流场与温度场[1]也反过来影响小孔的形状与尺寸.目前对激光深熔焊接小孔行为、熔池流动的观察以及实验[2],国内外研究人员多采用高速CCD摄像、X射线[3]、可听声监测等试验手段来研究小孔和熔池的耦合行为,但这些实验手段并不能获得全面有效的小孔及熔池内部的流场、压力场及温度场数据.因此,建立合适的综合数学模型,通过数值模拟的手段获得小孔壁面和熔池内部的能量、密度、温度、压强、速度等物理量分布以及小孔实时形貌,对于探讨激光焊接的本质以及有关物理现象具有重要的科学意义.基于小孔内部等离子体对激光热量的反韧致辐射吸收和小孔壁面Fresnel吸收机制,旺任凭[4]、庞盛永[5]等人运用反射吸收热源模型,该方式能很好地描述激光与材料的传热,但是没有考虑等离子体对激光光束的吸收以及等离子体温度对激光吸收率的影响.激光深熔焊接过程中熔池流动和传热行为对焊接过程的稳定性及最终的焊缝质量有着重要的影响.Graf等人[6]研究了动态偏振技术对焊缝表面成形的影响.Arata等人[7]为了观测熔池内部流场情况,采用示踪元素钨对焊接过程中熔池内部流场进行实例性的呈现,该方法首先将钨元素预置于工件上表面,焊接过程中利用X射线高速成相观察钨元素在熔池内部的流动行为.山东大学张涛等人[8]针对穿孔等离子弧焊的工艺特点,建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式,考虑了等离子焊接电弧的挖掘作用而形成的倒喇叭状焊缝形貌的特点,描述了等离子弧沿工件厚度方向的热作用,推导了热源深度随小孔深度动态调整的自适应模型.本文在考虑了气化压力、表面张力、Boussinesq浮力、液固之间的内部作用力、对流、热辐射以及气液界面的传热与传质等影响因素,应用了连续激光深熔过程中热源深度随小孔深度动态调整的自适应模型,预测了熔池温度场、流场分布以及小孔形貌的动态演变.采用激光热源随熔深变化的自适应模型,如式(1,2)所示,能实时追踪小孔深度并动态调整热源的深度[9],且能量服从高斯热源分布.假设等离子体的反韧致辐射吸收为常数,不考虑辐射、对流等因素引起的热量损失,计算小孔剖面的形状.式中：R0为激光有效半径；H(t)为随时间变化的小孔深度值；η为激光吸收效率；Q为激光的有效吸收功率.焊接过程中小孔达到动态平衡状态时,小孔壁面所受合力为零,小孔表面受力分析如图1所示,则法向上受力平衡关系如式(3)所示[10]：式中：pa为表面张力引起的附加压力,pg为金属蒸气产生的气化压力,pl为重力引起的液体静压力,pc为向心力产生的压力,pā为表面张力.金属蒸汽气化压力如式(4)所示[11]:式中：P0为大气压力；ΔHlg为气化潜热；Tlg为气液平衡温度.大量实验研究表明：在合理的激光焊接参数下,焊接接头任意截面上的焊缝组织、性能及热影响区形貌相差不大,可以达到一个相对稳定的状态,因此在建立模型之前先做如下假设：1) 焊接过程为准稳态过程；2) 不考虑熔池与气体之间的化学反应；3) 流动方式为层流；4) 除浮力项中密度可变外,不同状态下的物相密度为常数.描述熔池、小孔传热和流动的控制方程包括能量、动量和质量守衡方程.采用焓、孔隙度法来处理焊接过程中凝固熔化问题.在计算区域内的每个单元,每一步迭代中,采用热焓平衡法计算液相体积分数来估算液固界面.定义材料的热焓为式中：href为参考焓,Tref为参考温度,T为温度,CP为比热容,β为液体体积分数,Lm为熔化潜热.能量方程为式中：t为时间；ρ为密度；v为流体速度矢量；k为热导率；Sv为源项.描述熔池流体流动的动量方程和连续行方程为式中：μ为黏度,p为压力,S为动量方程源项.当激光热量作用于工件表面时,随着熔池的形成且不断扩大,在气化压力的作用下形成小孔,同时熔池和小孔的相互作用影响温度场和流场的变化.焊接过程中采用VOF对熔池的气液界面进行追踪,液体体积分数记为φ(x,y,z,t),流体体积分数控制方程为气相边界条件如图1所示，图中AB和BC为outflow,O1A为喷嘴(保护气体的入口),喷嘴半径为1.5mm,保护气体流量为40L/min,速度为0.1m/s,初始条件为O1O2为对称边界条件,对称边界条件如式(11、12)所示:图1中CD为壁面边界,位于工件外表面,考虑壁面对流散热的损失，可表示为式中：n表示法向矢量,αcr是因对流和辐射而散失的热流密度.实验材料为304L不锈钢,其物性参数如表1所示[12].利用CO2激光器进行模拟焊接,光束半径为0.25 mm,激光功率分别为1.6、2.0、2.4 kW,计算时采用正六面体有限差分网格,网格尺寸0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm,母材尺寸10 mm×4 mm×6 mm,时间步长设置为1×10-6s.图2给出了焊接速度为0.08 m/s,焊接功率为2 000 W,光斑直径为0.5 mm时,激光深熔焊时模拟小孔形貌和实验结果对比.图3所示为激光功率分别1.6、2.0、2.4 kW、焊接速度0.08 m/s时小孔深度随时间变化曲线.结合图3，并根据当前工艺条件下小孔深度的变化趋势，可以将焊接过程分为3个特性阶段：在第1阶段小孔深度成线性增长；第2阶段小孔深度振荡增长,此时的增长速度比第1个阶段要慢,且随着焊接时间的增长越来越慢；第3阶段小孔深度的平均值趋于稳定,但伴随着高频振荡过程.从图3看出,第1阶段的持续时间非常短,持续时间大约为7.2 ms,第2、3阶段由于小孔内部受热不均,小孔壁面上受到的气化压力不能与表面张力以及金属液体的冲击力保持平衡,因此小孔开始出现振荡.这个小孔形成的模拟结果与X射线实验结果[13]在数量级上大致吻合.图4为小孔的动态演变过程.从图4可以看出,当焊接时间达到7.2 ms左右时,小孔深度的平均值趋于稳定,而在时间t=14.1~26.5 ms的焊接过程中,由于小孔壁面的受力不平衡,导致小孔深度值不稳定.由于激光中心温度比其他位置温度高得多,而且小孔前壁倾角比小孔后壁大一些,这使得激光束移动过程中大部分激光束照在小孔前壁面上,当气、液界面温度高于3 200 K时,在小孔的前壁面发生强烈的气化,熔池前部熔化的金属在气化压力的作用下向熔池后部流动.预置碳化钨薄片于试件表面进行焊接实验,形成的焊缝横截面钨元素分布情况如图5所示.根据焊接实验结果建立连续激光深熔焊小孔填充模型,即第4阶段小孔填充模型.由于激光光束向前移动,熔池后沿温度降低,受到气化压力的作用减小,小孔前沿液态金属向后流动,导致小孔后沿液态金属沿孔壁向上流动,熔池后部(如图6中B 区)金属向下流动形成环流区,液态金属凝固形成向下凸起的“鱼鳞状凝固线”横截面形貌.图7所示为小孔壁面φ(x,y,z,t)=0.5时,小孔后部熔池纵、横截面流场.从图中可以看出,在小孔后壁边沿液态金属沿着小孔壁向上流动,推动熔池边缘附近液态金属从熔池表面流到熔池底部,使得熔池上部环流扩展到熔池底部,且在扩展过程中流速逐渐减小.距离小孔壁面越近，熔池温度相对越高,则流速越大,并受到热传导和对流等因素的影响,熔池金属凝固形成“鱼鳞状凝固线”[15].综合以上分析可知,在熔池形成的各个阶段,小孔壁面周围液态金属受气化压力作用明显,同时也是驱动熔池内部液态金属运动的主要驱动力.1) 连续激光深熔焊接过程中,当焊接时间达到7.2 ms左右时,由于小孔壁面受力不平衡导致小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定；2) 基于焊缝横截面钨元素分布,建立了小孔填充模型.小孔前部熔池金属在气化压力的作用下绕过小孔向熔池后部流动,形成局部环流,并受到对流和热传导等因素影响,导致液态金属凝固形成“鱼鳞状凝固线”.【相关文献】[1] 樊丁,霍宏伟,石玗,等.不锈钢薄板TIG焊三维熔池数值模拟与测量 [J].兰州理工大学学报,2013,39(6):19-23.[2] 晏丽琴,樊丁,黄勇,等.耦合电弧对AA-TIG焊接熔深的影响 [J].兰州理工大学学报,2010,36(2):21-25.[3] MIZUTANI M,KATAYAMA S.Keyhole behavior and pressure distribution during laser irradiation on molten metal [C]//Proceedings of the 22nd international congress on applications of lasers and electro-optics,Jacksonville,2003,LIA,Jacksonville,FL,Section A-Welding,2003:25-36.[4] 旺任凭,雷永平,史耀武,等.基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用 [J].激光技术,2011,35(1):31-35.[5] PANG Shengyong,CHEN Liliang.A three-dimensional sharp interface model for self-consistent keyhole and weld pool dynamic in deep penetration laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2011,44(18):205-301.[6] GRAF S,STAUPENDAHL G.Generation of a dynamic polarized laser beam for applications in laser welding [J].Journal of Applied Physics,2010,22(2):43102-43106. [7] ARATA Y,ABE E,FUJISAWA M,etal.A study on dynamic behaviors of electron beam welding(report I):The observation by a fluoroscopic method [J].Transactions ofJWRI,1976,5(1):1-9.[8] 武传松,张涛.穿孔等离子弧焊接热场和流场的数值模拟 [J].焊接学报,2011,32(7):87-90.[9] ZHAO Haiyan.Modelling of keyhole dynamics and porosity formation considering the adaptive keyhole shape and three-phase coupling during deep-penetration laser welding [J]. Journal of Applied Physics,2011,44(13):1-14.[10] 钟磊.基于VOF算法模拟EBW匙孔移动过程的研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.[11] JIN X,LI L,ZHANG Y,etal.A study on fresnel absorption and reflections in the keyhole in deep penetration laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2002,35(13):2304-2310.[12] PANG S,CHEN L,YIN Y,etal.Three-dimensional simulation transient keyhole evolution during laser keyhole welding [C]//Photonics and Optoelectronics Meetings2009.International Society for Optics and Photonics,Wuhan:Industry Lasers and Applications,2009:75150T(1-10).[13] LEE J Y,SUNG H K,FARSON D F,etal.Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2002,35(13):1570-1576. [14] 石铭霄,张秉刚,马纪龙,等.基于视觉传感的电子束深熔焊焊缝表面成形的预测 [J].焊接学报,2011,32(12):1-5.[15] ZHANG Binggang,SHI Mingxiao,CHEN Guoqing,etal.Detection d processing of molten-pool image of electron-beam deep-penetration welding based on visual sensing [J].China Welding,2011,20(4):17-21.。

激光焊接中的材料熔化过程数值模拟激光焊接是一种高效、精确的焊接方法，被广泛应用于汽车、航空、电子、机械等行业。

在激光焊接中，材料的熔化过程至关重要，对焊缝的质量和性能有着决定性的影响。

因此，通过数值模拟对激光焊接中的材料熔化过程进行研究，有助于优化焊接工艺、提高焊接质量。

首先，我们需要了解激光焊接中的材料熔化过程。

在激光束的照射下，工件表面的温度迅速升高，当温度达到了材料的熔点时，材料开始融化。

随着激光束的移动，焊缝部位的材料被加热和熔化，形成液态池。

激光束移动的方向决定了液态池的形状和大小。

当激光束停止照射时，液态池开始冷却固化，形成焊缝。

由于激光焊接中涉及的物理、化学、热力学、流体力学等多学科知识，直接进行实验研究非常耗时耗力。

而数值模拟则可以通过计算机模拟并预测激光焊接中的材料熔化过程，大大减少了实验成本。

数值模拟可以根据激光焊接中的材料属性、激光束参数、焊接速度等因素，建立对应的数学模型，从而预测熔化过程和焊缝质量。

一般来说，激光焊接中的材料熔化过程数值模拟包含以下几个步骤：第一步，建立数学模型。

根据焊接过程中的物理规律，建立数学模型是进行数值模拟的第一步。

数值模拟的计算结果的准确性和可靠性取决于数学模型的正确性和精度。

因此，建立数学模型是数值模拟中至关重要的一步。

第二步，确定材料属性。

不同的材料具有不同的熔点、热导率、密度等物理特性，这些特性将影响材料的熔化过程。

因此，在进行激光焊接中的材料熔化过程数值模拟前，需要对材料的物理性质进行确定。

第三步，确定激光参数。

激光参数包括激光功率、扫描速度、焊缝形状等。

这些参数会对材料熔化过程产生显着影响，因此需要进行合理的设置。

第四步，计算熔化过程。

根据数学模型、材料属性和激光参数，计算机模拟出焊接过程中材料的熔化和形成液态池的过程。

通过模拟，可以得出不同工艺参数下的液态池的尺寸、形状和温度等信息。

第五步，计算焊缝质量。

根据计算结果，可以预测焊缝的质量和性能。

焊接过程中材料熔池流动行为的数值模拟与分析引言：焊接是一种常见的连接金属材料的方法，其在工业生产中应用广泛。

焊接过程中，材料的熔池流动行为对于焊接接头的质量和强度具有重要影响。

因此，研究焊接过程中材料熔池流动行为的数值模拟与分析，对于优化焊接工艺、提高焊接接头质量具有重要意义。

1. 现有研究概况在过去的几十年里，许多学者对焊接过程中材料熔池流动行为进行了研究。

其中，数值模拟方法被广泛应用于研究熔池的形成和流动过程。

数值模拟方法能够更好地理解焊接过程中的各个参数之间的相互作用，从而揭示熔池流动机制。

2. 熔池形成过程的数值模拟焊接过程中，熔池的形成过程受到多种因素的影响，如热源的热输入、材料的热导率等。

通过数值模拟可以模拟这些因素对熔池形成的影响，从而得到不同焊接工艺参数下熔池的形态和尺寸。

研究表明，焊接速度和焊接电流对熔池形态和尺寸有着显著影响。

3. 熔池流动行为的数值模拟熔池流动行为对于焊接接头的质量和强度具有决定性的影响。

数值模拟可以通过求解焊接区域的流体动力学方程来模拟熔池的流动行为。

这些方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

通过数值模拟可以得到焊接过程中熔池的流速、流动方向和温度分布等信息，进一步分析熔池的流动机制。

4. 数值模拟与实验的结合研究数值模拟与实验相结合是研究焊接过程中材料熔池流动行为的常用方法。

实验可以提供真实的焊接过程的数据，而数值模拟可以对实验结果进行验证和解释。

通过数值模拟与实验相结合的方法，可以更准确地模拟焊接过程中的熔池流动行为，并深入研究其机制。

5. 应用前景随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，研究焊接过程中材料熔池流动行为的数值模拟与分析将会得到更广泛的应用。

数值模拟可以为焊接工艺的优化和焊接接头质量的提高提供重要参考依据。

另外，数值模拟还可以辅助设计和优化焊接设备，提高焊接生产的效率和质量。

结论：通过数值模拟与实验相结合的研究方法，焊接过程中材料熔池流动行为得到了深入的研究和认识。

Ｃ：ｌ ４ ３ Ｏ
Ｄ＝ｌ４ ２ ５
／ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｅ ：１８ ６１
Ｆ－ ７ ＝ － ２２ ０ Ｇ：２６ ９ ７ ／： ８ － ３０ ８ ／
峰值 仅有 ４ ０℃左 右 。 ５ 当焊缝 与 远离 焊缝 处 的温差
』
Ｂ＝ ３ ． ２ ６ ３６ ４
图中也可看到 。 当焊缝 处达 到峰值温度 时 ， 距离焊缝 １ ｍ处并 未达 到其峰值温度 ， ０ ｍ 而是有约 ３ ｓ的延迟 。 而且 随着 焊缝 处温度 的迅 速下 降 ， 向周 围 的散热 其
能力也 迅速减 小 。 因此距 离焊缝 １ ｉ 处 的点 温度 ０ｍｌ ｌ
５ ／ ｎ 光 斑直径 １ ｍ， 始温度 ２ ０ ｍ ｍｉ， ｃ ｍ 初 Ｏ℃。
１ ． 数 学 模 型 ２
激光 焊接 过程 是高度 的非线性 过程 ， 料 的热 材 物 理性 能随 着温度 的变 化而 剧烈 变化 ， 的热传 导 它 的控 制方 程为
ｐ ＝ ｃ ＝
图 ２ 网格 划 分
・
２２ ・
一
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张 可 荣 等 ： Ｈ １３高 温 合 金激 光深 熔 焊 温 度 场 数 值 模 拟 Ｇ ４３
第 ７期
～ 、
、
Ａ＝ ２ ．４ ２ ４５
较小 ， 此 向周 围 的 热传 导 有 一个 滞后 作 用 ， 因 这从
的 曲面所 围成 的曲面体 ， 图 １ 如 所示 。
ｑ ，Ｊ ｗ ｕ
端较 宽 ， 端较 窄且 更狭 长 。 后 温度 峰值 约 为 ３５ ０℃ ０
左右 ， 远远超过 了 Ｇ ４ ３ Ｈ １３高温合金 的沸点 。 由于温度 超过 Ｇ ４ ３ Ｈ １３高温合 金熔点 的区域 宽度约为 １ ｉ， ．ｍｎ ５ 可 知试 件 焊缝 宽度 约为 １ ｍ。 图 中还 可看 到超 ．ｍ 从 ５