深熔激光焊接热过程的数值模拟

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1、深熔激光焊接热过程的数值模拟张瑞华1樊丁1片山聖二2（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兰州730050）(2大阪大学接合科学研究所，大阪，日本，567-0047）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，得到了激光深熔焊接时的温度场分布规律和“钉头”状的熔池形状；同时也模拟了焊接速度对温度场的影响。数值模拟结果与实验结果基本吻合。关键词：激光

2、焊接；旋转GAUSS曲面体；PHOENICS中图法分类号TG40文献标识码A文章编号NumericalSimulationofHeatProcessoftheLaserWelding112ZHANGRui-hua，FANDing，SEIJIKatayama1StateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon-ferrousMetalMaterials,LanzhouUniversityofTechnology，Lanzhou7300502JWRI,OsakaUniversity,11-1Mihogaoka,Ibara

3、ki,Osaka,JAPAN,567-0047Abstract:AmathematicalmodeltodescribemovinglaserweldingwasdevelopedbyusingtheRotary-Gaussbodyheatsourcemodelandneglectingtheeffectofkeyholeonthermalconduct.NumericalsimulationwasconductedbyPHOENICS3.4software.Themodelwasappliedtolaserweldingprocessi

4、ngofSUS304stainlesssteel.Theshapeofmoltenpoolandthetemperaturefieldwereanalyzed.Theshapeofmoltenpoollookslike“nailhead”shape.Thesimulationresultsofmoltenpoolshapeprovidedgoodagreewiththepracticeweldingresults.Keywords：Laserwelding,Rotary-Gaussbodyheatsource,PHOENICS1引言在激光

5、深熔焊接时，高功率激光辐射金属表面，首先熔化形成熔池，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，表面材料强烈汽化，产生金属蒸汽，蒸汽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[1]量吸收,有效加热半径较小，最后形成钉头焊缝形状。在激光焊接的数值模拟中，经常采用体热源模型描[2][3][4]述焊接热输入过程,如双椭球热源模型、Gauss圆柱热源模型和柱状热源

6、模型等。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[5]状焊缝还是有很大出入。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[6]转Gauss曲面体热源模型。本文在此热源模型的基础上，用PHOENICS3.4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，进一步揭示深熔激光焊接的物理本质。_______________收稿日期：2006-7-1；修订日期：基金项目：教育部春晖计划（Z2004－1－62009）及博士点专项基金

7、（20040731001）资助作者简介:张瑞华（1970-），男，甘肃人，博士。4192数学模型及边界条件2.1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[7]的复杂传热现象关系很小，基于此，忽略小孔的影响。基本模型如图1所示。[7]图1坐标系及求解区域[7]Fig.1Thecoordinatesystemandthecalculationfield连续方程为：∂ρ∂(ρu)∂(ρv)∂(ρw

8、)（1）+++=0∂t∂x∂y∂z动量守恒方程为：∂(ρu)∂()ρu0u∂()ρuu∂()ρvu∂()ρwu∂∂u∂∂u∂∂u∂P（2）−+++=µ+µ+µ−+S