深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟.pdfVIP

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟1 1 1 2 张瑞华 ，樊丁 ，片山圣二 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 云图和“钉头”状的熔池形状，试验表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。 关键词：激光焊接；旋转GAUSS 曲面体；PHOENICS 中图法分类号：TG40 文献标识码：A 0 ．引言 在激光深熔焊接时，高功率激光辐射金属表面会首先使金属熔化形成熔池，造成表面处 的有效加热半径较大；随着激光束流的继续加热，表面材料强烈气化，产生金属蒸气，蒸气 中的起始自由电子通过反韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量碰撞电离材料 和周围气体，使电子密度雪崩式增长而形成等离子体，进而形成小孔，通过小孔，激光束流 沿深度方向对工件进行加热，小孔内部的加热主要靠孔壁上的能量吸收,有效加热半径较小， 最后形成钉头焊缝形状[1] 。激光焊接是一个涉及多学科的物理化学过程，依靠积累工艺试验 数据来深入理解和控制激光焊接过程，既不切实际又成本昂贵。随着计算机技术的发展，数 值模拟的方法提供了一种有效的研究手段。激光焊接时，产生极高的温度和温度梯度，这种 独特的加热方式，使得对此过程进行数值模拟存在较大的困难。在激光焊接的数值模拟中， 经常采用体热源模型描述焊接热输入过程,如双椭球热源模型[2] [3] 、Gauss 圆柱热源模型 和柱 状热源模型[4]等。虽然采用这些体热源模型能够获得较为准确的模拟结果，但是,利用它们计 算出的焊缝(熔池)形状与实际焊接中得到的钉头状焊缝还是有很大出入[5] 。吴甦等为了准确 模拟出大深宽比的钉头状高能束熔池(焊缝)形状,提出了新的旋转 Gauss 曲面体热源模型，但 并没有计算移动热源条件下的温度场分布[6] 。作者在此热源模型的基础上，用 PHOENICS 3.4 软件模拟 SUS304 不锈钢激光深熔焊接时熔池的几何形状和温度场的分布。 1．数学模型及边界条件 1.1 控制方程 假设熔池内的流体为不可压缩牛顿流体，忽略气化热损失，材料物性参数为常数，只考 虑准稳定状态。根据焊接传热机制，焊件的整体温度场与焊接熔池边界向周围焊件传递的热 量密切相关，与熔池内部发生的复杂传热现象关系很小，基于此，忽略小孔的影响。激光焊 接的基本模型如图 1 所示[7] 。 1本课题得到教育部博士点专项基金资助项目（20040731001）的资助。 - 1 - 图 1 激光焊接的坐标系及求解区域 Fig.1 The coordinate system and the calculation field of laser welding 流体的连续方程为： ∂ρ ∂ ( ρ u ) ∂ ( ρ v ) ∂ ( ρ w ) + + + 0 ∂ t ∂x ∂y ∂z （1） 流体的动量守恒方程为： ∂ ρu ∂ ρu