（机械工程专业论文）激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究.pdf

j i 1 llllr lli ii i iii ll liil 19 0 7 5 0 9 a s p e c t r as t u d y o n k e y h o l ep l a s m ae m i s s i o nd u r i n gd e e pp e n e t r a t i o n l a s e rw e l d i n go fa l u m i n u m a l l o y b y z e n g l i c h e n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g n m a n u f a c t u r e i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj i nx i a n g z h o n g m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 、曾刊成 日期：知f 年f 月“e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：f 曾利 别磁孙廖 日期：如l f 年f 月2 e 1 日期：力l 年歹月彤日 激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究 摘要 本文先介绍了激光深熔焊接的机理，从小孔形状、尺寸、温度、等离子体等 方面分析了国内外对激光深熔焊接过程中小孔效应研究的现状及现有研究存在 的问题，然后对国内外对激光焊接过程中材料合金元素的烧蚀损失的研究做了介 绍。本文在对国内外小孔效应以及合金元素烧损的研究进行分析后针对现有研究 存在的缺陷，设计出一种新颖的试验方法，从小孔形状尺寸、孔内等离子体特性 等方面对小孔效应进行综合试验研究。 首先用普通摄像机实际拍摄了激光深熔焊接6 0 1 6 铝合金过程中的小孔形 貌，利用像素分析法结合曲线拟合技术对小孔形貌进行数学还原。 然后利用光谱学观测手段综合研究了小孔内等离子体的光谱信号特征及其 随激光模式、激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数的变化情况。 接着采用经典理论建立了激光焊接过程中孔内等离子体沿深度方向与径向 方向的传热模型，经过估算发现孔内等离子体在径向方向上的传热速率远远大于 在深度方向上的传热速率，因此，在简单计算时可以忽略等离子体沿深度方向上 的热传递，同时给出了简化计算孔内等离子体温度的解析式并采用有限差分法计 算了孔内等离子体以外的熔池的温度场。另一方面对于光谱学实验数据，利用相 对强度法计算了孔内等离子体的温度，并得出孔内等离子体温度在连续激光与脉 冲激光下沿小孔深度方向与径向方向的温度分布，还比较分析了激光模式、激光 功率、焊接速度、离焦量等工艺参数对孔内等离子体温度的影响。 本文最后采用k n u d s e n l a n g m u i r 理论建立了激光焊接过程中的合金元素烧 损理论模型，计算出激光深熔焊接过程中合金元素烧蚀损失的速率并与实验测量 进行了比较，计算与实验结果比较吻合。 关键词：激光深熔焊接；小孔；孔内等离子体；有限差分法；辐射光谱；相对强 度法；电子温度；合金元素损失 硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e c h a n i s mo fd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n gw a si n t r o d u c e da tf i r s ti nt h i s p a p e r , a n dt h e nt h es t a t u sa n dt h ep r o b l e me x i s ti nt h er e s e a r c ho nk e y h o l ee f f e c t b o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a sw e r ea n a l y z e df r o ms u c ha sa s p e c ta sk e y h o l es h a p e sa n d s i z e s ，t e m p e r a t u r eo fk e y h o l ew a l l a n dk e y h o l ep l a s m ac h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , s t u d i e sa th o m ea n da b r o a do na l l o ye l e m e n tl o s so ft h em a t e r i a ld u r i n gl a s e r w e l d i n gw e r ep r e s e n t e d t om a k eu pt h el i m i t a t i o ni ns o m ed o m e s t i ca n do v e r s e a s s t u d i e so nk e y h o l ee f f e c ta n da l l o ye l e m e n tl o s s ，an o v e le x p e r i m e n t a lm e t h o dw a s a p p l i e do nt h es t u d yo ft h ek e y h o l e ss h a p e ，s i z ea n dt h ep l a s m ai n s i d es y n t h e t i c a l l y f i r s to fa l l ，t h er e a lk e y h o l es h a p ed u r i n gl a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n go f a l u m i n u ma l l o y6 0 16w a sr e c o r d e db yad i g i t a lv i d e o b a s e do nas o - o b t a i n e d k e y h o l ep i c t u r e ，c o m b i n e da n a l y s i s m e t h o dw i t hc u r v ef i t t i n gt e c h n i q u e ，t h e m a t h e m a t i c a lk e y h o l es h a p ew a sr e c o n s t r u c t e d s e c o n d ，t h es p e c t r a ls i g n a le m i t t e df r o mk e y h o l ep l a s m aa n dh o wi tc h a n g e s w i t h s u c hp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa sl a s e rm o d e ，l a s e rp o w e r , w e l d i n gs p e e da n d d e f o c u sw e r es t u d i e ds y n t h e t i c a l l yb ys p e c t r o s c o p yo b s e r v a t i o nm e t h o d t h e n ，c l a s s i c a lt h e o r yo fh e a tt r a n s f e rm o d e lo fk e y h o l ep l a s m aa tt h ed e p t ha n d r a d i a ld i r e c t i o n sa r ee s t a b l i s h e d b a s e do na na p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o no nt h et h e r m a l d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，t h et h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta tr a d i a ld i r e c t i o nw a sf a r l a r g e rt h a nt h a ta td e p t hd i r e c t i o n t os i m p l i f yc a l c u l a t i o n ，t h eh e a tt r a n s f e ra td e p t h d i r e c t i o nc a nb en e g l e c t e d as i m p l i f i e da n a l y s i sf o r m u l ai su n i l i s e dt oc a l c u l a t et h e p l a s m at e m p e r a t u r ei n s i d et h ek e y h o l ea n df d m m e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm e l tp o o la r o u n dt h ek e y h o l ep l a s m a o nt h eb a s i so ft h e a b o v ee x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e ds p e c t r a ld a t a ，r e l a t i v es t r e n g t hm e t h o do fs p e c t r u mi s u s e dt oo b t a i nt h ek e y h o l ep l a s m at e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n d e p t ha n dr a d i a ld i r e c t i o n sb o t hu n d e rc o n t i n u o u sa n dp a u s el a s e rm o d e t h ee f f e c t s o fs u c hp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa sl a s e rm o d e ，l a s e rp o w e r ，w e l d i n gs p e e d ，a n dd e f o e - u so nt h ek e y h o l ep l a s m at e m p e r a t u r ei sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , a l l o ye l e m e n tl o s s m o d e ld u r i n gl a s e rw e l d i n gw a se s t a b l i s h e dw i t h k n u d s e n l a n g m u i rt h e o r y ，a n dl o s sr a t e o fa l l o ye l e m e n td u r i n gl a s e rw e l d i n gi s c a l c u l a t e d ，w h i c hs h o w st h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti s i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e dr e s u l t m 激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究 k e yw o r d s ：d e e p - p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ：k e y h o l e ：k e y h o l ep l a s m a ：f d m ： r a d i a t i o ns p e c t r u m ；r e l a t i v es t r e n g t hm e t h o d ：e l e c t r o n i ct e m p e r a t u r e ；a l l o y e l e m e n tl o s s i v j 盏 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明与论文版权使用授权书l 摘i 要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引v i i i 附表索引x 第1 章绪论。1 1 1 弓i 言。1 1 2 激光深熔焊接机理概述一1 1 3 国内外对小孔效应的研究现状及其存在的主要问题3 1 3 1 小孔形状的研究3 。 1 3 2 等离子体的研究6 1 3 3 孔内等离子体辐射光谱的研究7 1 4 国内外对合金元素烧损的研究及其存在的主要问题8 1 5 本文研究的主要内容。9 第2 章激光深熔焊接过程中小孔形状直接观测试验研究1 1 2 1 小孔的实际形状观测实验设计1 1 2 1 1 实验方案1 1 2 1 2 实验设备与实验条件1 2 2 1 2 1 光源和激光器1 2 2 1 2 2 实验机床1 3 2 1 2 3g g l 7 玻璃1 3 2 1 2 4 焊接材料1 4 2 1 2 5 摄像机。1 4 2 1 3 实验过程1 4 2 2 小孑l 的实际形状观测结果及处理1 4 2 3 本章小结1 6 第3 章激光深熔焊接孑l 内等离子体辐射光谱试验研究1 7 3 1 等离子体的光谱诊断方法概述1 7 3 2 实验方案1 8 3 3 实验设备2 0 v 激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究 3 3 实验过程2 1 3 4 实验结果2 1 3 4 1 孔内等离子体径向与深度方向上光谱信号情况2 2 3 4 2 激光功率对光谱信号强度的影响一2 3 3 4 3 焊接速度对光谱信号强度的影响。2 7 3 4 4 焦点位置对光谱信号强度的影响3 1 3 5 本章小结3 4 第4 章小孔内等离子体温度场研究3 6 4 1 等离子体温度模型3 6 4 2 热传导偏微分方程解法介绍4 2 4 2 1 有限差分方法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 4 3 4 2 2 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 4 3 4 2 3 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 4 3 4 2 4 各种方法比较4 4 4 3 模型的数值求解4 5 4 3 1 方程的离散与边界条件：4 5 4 3 1 1 方程的整理与变换4 5 4 3 1 2 计算区域的确定与网格的划分4 5 4 3 1 3 差分方程的建立4 6 4 3 1 4 边界条件。4 7 4 3 1 5 物性参数的处理5 0 4 3 1 6 计算流程的确定与程序的编写5 0 4 3 2 求解结果5 1 4 3 2 1 孔内等离子体的温度分布5 1 4 3 2 2 等离子体外熔池的温度分布5 2 4 4 激光深熔焊接小孔内等离子体温度计算方法5 4 4 4 1 等离子体的局域热力学平衡态。5 4 4 4 2 相对强度法5 5 4 4 3 本文选取的谱线及相关参数5 5 4 5 小孔内等离子体温度分布5 6 4 5 1 小孔径向等离子体温度分布。5 6 4 5 2 , j , - t l 深度方向等离子体温度分布5 8 4 5 3 激光功率对等离子体温度的影响5 9 4 5 4 焊接速度对等离子体温度的影响6 1 4 5 5 离焦量对等离子体温度的影响6 2 硕士学位论文 4 6 本章小结6 3 第5 章激光深熔焊接过程中合金元素烧损研究6 4 5 1 激光深熔焊接过程中的元素烧损理论6 4 5 1 1 k n u d s e n l a n g m u i r 理论6 4 5 1 2 小孔内的蒸发流。6 5 5 1 3蒸发率和成分变化6 7 5 2 合金元素烧损的试验研究6 7 5 2 1 实验设备6 7 5 2 2 试件的制备6 8 5 2 3 实验方法与结果6 9 5 3 激光深熔焊接过程中合金元素烧损与辐射光谱关系。7 1 5 4 本章小结7 1 结论及展望7 3 参考文献7 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录8 4 附录b 孔外髂池附近温度场数值求解部分程序一8 5 j 1 5 谢9 1 v 激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究 插图索引 图1 1 激光深熔焊接示意图2 图1 2不同能量密度的能量耦合2 图1 3 通过一系列光电二极管观测孔内等离子体8 图2 1小孔实际形状观测实验方案图1 1 图2 2改进后的试件示意图1 2 图2 3焊接试件焊接后实物图一1 2 图2 4d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器及其模式1 2 图2 5s e s a m o 型三维激光切割机床及其光路系统示意图1 2 图2 6小孔实际观测照片1 3 图2 7 小孔观测照片拟合形状1 5 图3 1 孔内等离子体光谱信号观测实验方案图1 9 。图3 2光纤布置设计：1 9 图3 3光谱仪与c c d 2 0 图3 4 数控二维电动位移台2 0 图3 5 速度为1 4 0 0 m m m i n 时第2 6 帧第1 0 通道的光谱信号。2 2 图3 6 速度1 0 0 0 m m m i n 时第8 通道不同帧的光谱信号2 2 图3 7 速度1 0 0 0 m m m i n 时第2 8 帧不同通道的光谱信号2 3 图3 8 激光功率1 7 0 0 w 2 4 图3 9 激光功率1 8 0 0 w 2 4 图3 1 0 激光功率1 9 0 0 w 2 5 图3 1 1 激光功率2 0 0 0 w 2 5 图3 1 2 激光功率2 1 0 0 w 2 6 图3 1 3 激光功率2 2 0 0 w 2 6 图3 1 4 激光功率2 3 0 0 w 2 7 图3 1 5 速度1 0 m r a i n 2 8 图3 1 6 速度1 2 m m i n 2 8 图3 1 7 速度1 4 m m i n 2 9 图3 1 8 速度1 6 m m i n 2 9 图3 1 9 速度1 8 m m i n 3 0 图3 2 0 速度2 0 m m i n 3 0 图3 2 1 速度2 2 m m i n 3 1 砌 硕士学位论文 图3 2 2 离焦量为2 3 2 图3 2 3 离焦量为1 3 2 图3 2 4 离焦量为0 3 3 图3 2 5 离焦量为+ 1 3 3 图3 2 6 离焦量为+ 2 3 4 图4 1激光与材料相互作用示意图3 6 图4 2t i xa n ds i m o n 的径向等离子体模型3 8 图4 3小孔的分层及单层小孔示意图4 2 图4 4网格划分4 5 图4 5有限差分方程计算流程图5 0 图4 6 激光功率为2 2 0 0 w 时小孔内功率密度分布5 1 图4 7 小孔纵截面上温度分布5 1 图4 8小孔径向的温度分布5 6 图4 9小孔中心深度方向上的温度变化一5 2 图4 1 0 焊接速度为l m m i n 的小孔表面等温线5 2 图4 1 1 焊接速度为3 m m i n 时的小孔表面等温线。二。5 3 图4 1 2 焊接速度为l m m i n 时的小孔表面熔池形貌5 3 图4 1 3 小孔附近纵截面温度分布( 玻璃i 专铝合金) 5 3 图4 1 4 同一通道等离子体温度分布5 7 图4 1 5 同一帧等离子体温度分布5 8 图4 1 6 不同激光功率下等离子体温度分布6 0 图4 1 7 不同焊接速度下等离子体温度分布6 1 图4 1 8 不同离焦量下等离子体温度分布6 2 图5 1不同温度下各合金元素的局部蒸汽压力曲线6 5 图5 2j x a 8 2 3 0 电子探针显微分析仪6 8 图5 3 母材区域测量示意6 9 图5 4 焊接速度1 4 0 0 m m m i n 6 9 图5 5 焊接速度1 6 0 0 m m m i n 6 9 图5 6 焊接速度1 8 0 0m m m i n 6 9 图5 7 焊接速度2 0 0 0m m m i n 6 9 图5 8 焊接速度2 2 0 0m m m i n 7 0 图5 9 焊缝中m g 元素随焊接速度的变化情况7 0 i x 激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究 附表索引 表1 1主要焊接方法能量密度比较2 表1 2不同焊接方法的比能对比2 表1 3 常见材料对不同波长激光的吸收率2 表2 1r o f i nd c 0 2 5 激光器主要技术参数1 2 表2 2s e s a m o 型三维激光切割机床技术参数1 3 表2 3g g l 7 玻璃的物理化学性能1 4 表2 46 0 1 6 铝合金化学成分1 4 表2 5 对小孔照片进行像素测量的像素值1 5 表3 1 s p e c t r a p r o - - 2 3 5 6 主要技术指标2 0 表3 2p i x i s ：4 0 0 f 主要技术指标2 0 表3 3 实验参数表2 1 表4 1 铝在不同温度下的热物理性能参数：4 9 表4 2 m g ( i ) 谱线5 6 表5 1计算各元素平衡蒸汽压力的常数因子6 4 表5 2 各个试件焊缝成分测量结果7 0 x 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自1 9 6 0 年t h 梅曼发明第一台红宝石激光器到现在的五十年间，各种各样的 激光器不断出现并广泛应用于工业领域。目前主要应用的激光器有：气体激光器， 如c 0 2 、c o 、h e n e 、c u 蒸汽激光器等；固体激光器，如红宝石( a 1 2 0 3 ：c r 3 + ) 和掺钕钇铝石榴石( 简写为y a g ：n d 3 + ) 以及钕玻璃激光器；液体激光器；半导 体激光器以及光纤激光器。同时，激光功率也不断增大，目前万瓦级的c 0 2 激光 器已经研制成功并开始应用到工业领域，光纤激光器的集成功率也达到了万瓦级 的水平。i p g 集团是唯一能够量产数万瓦光纤激光器的公司，目前最大功率高达 5 0k w 。在机械制造领域，c 0 2 激光器和光纤激光器应用得最为广泛，比较成熟 的技术有激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成形、激光打标、激光清洗、 激光热处理和表面处理技术等。激光加工，正逐渐地成为一种新兴强势产业走进 工业社会的每个角落。 1 2 激光深熔焊接机理概述 激光深熔焊接是大功率激光器的主要应用之一。与普通焊接方法相比，激光 深熔焊接具有焊接速度快、能量密度大和比能小( 表1 1 、表1 2 ) 、焊缝深宽比大、 热影响区和热变形小、焊缝强度高、易于实现自动化等优点，所以在工业中得到 了广泛的应用，特别适合于焊接精密部件、热敏感部件以及高强度部件【1 l 。小孔 效应和光致等离子体的产生是激光深熔焊接的主要特征。图1 1 为激光深熔焊接 示意图。金属在能量密度足够大的激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短 的时间内升高到沸点，使金属熔化和气化【2 ，3 】。在液态金属中形成一个充满金属 蒸汽的细长孔洞( 称为v a p o rc a p i l l a r y ，亦称为k e y h o l e ) 。当金属蒸汽的反冲压力 与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的 小孔【4 1 ，从而实现激光深熔焊接。通常根据是否产生小孔将焊接过程分为两种模 式：热传导焊接( c o n d u c t i o nw e l d i n g ) 和深熔焊接( k e y h o l ew e l d i n g ) 。这两种 焊接模式有着完全不同的能量耦合机制、焊缝形成机理和焊接效果，如图1 2 所 示。 激光深熔焊接铝合金小孔内等离子体的辐射光谱研究 琶h 菱茏菱菱 焊接方法电弧焊等离子体焊激光或电子束焊 功率密度( w e r a 2 ) 5 x 1 0 2 1 0 4 5 x 1 0 2 1 0 61 0 6 1 0 8 表1 2 不同焊接方法的比能对比【2 j 焊接方法氧炔焊 手工电弧焊氩弧焊埋弧焊电子束焊激光焊 比能2 0 0 0 - 3 0 0 - 5 0 05 0 0 一, 1 2 0 01 0 0 2 5 03 0 - 5 04 0 - 7 0 ( j r a m ) 5 0 0 0 表1 3 常见材料对不同波长激光的吸收率( ) 激光器及其波长 材料 a i c uf en ip t a g s nt iwz na u y a g ( 九= 1 - 0 6 # m ) 8 1 03 52 61 141 94 24 11 65 3 c 0 2 ( 7 l = 1 0 印m ) 1 91 5 3 53 3 61 43 482 62 7 1 7 当激光功率密度增加到一定程度的时候( 1 0 5 1 0 6 w c m 2 ) ，材料表面发生气 化，材料表面附近的气化物被微弱电离形成等离子体，同时被焊材料在较大的气 化膨胀压力下产生了小孔，小孔内的金属蒸汽继续在高功率密度的激光作用下产 生强烈电离，从而在小孔内部及上部形成一定浓度的高温等离子体。小孔和等离 子体的形成改变了激光与材料相互作用的机理。 当孔外等离子体为光学薄等离子体的时候，激光大部分透过孔外等离子体入 射到小孔内部，在小孔的孔壁上经过多次反射几乎完全被材料吸收，这种效应称 2 硕士学位论文 之为“黑体效应”。小孔的黑体效应使得材料对激光的吸收率迅速地提升到5 0 以上甚至完全吸收，是为深熔焊。焊缝的深宽比远远大于1 ，甚至达1 2 ：1 1 1 。但 是进一步提高激光功率密度，达到5 x 1 0 7 w c m 2 以上时，激光辐射使材料强烈气 化，并使金属蒸汽和周围气体发生较高程度的电离，形成致密的等离子体云 ( p l a s m ap l u m e ) 。致密的等离子体云对激光束产生反射、散射和离焦，阻隔激 光束的传播，从而出现熔深不足，过烧，焊缝形状波动而不规则，甚至损伤聚焦 镜片。严重时，等离子体云对激光辐射的屏蔽最终将导致小孔的崩溃和焊接过程 的终止。这便是孔外等离子体对激光的阻隔效应。 由上可见，激光深熔焊接是一个十分复杂的过程，影响因素多，包括材料与 激光的相互作用、小孔和等离子体的形成与稳定性以及其与激光能量的耦合、熔 池及小孔内材料的流动以及各种焊接工艺参数等诸多方面。因此，对激光深熔焊 接机理的研究势必涉及到激光物理学、光学、等离子体物理学、传热学、流体力 学、气体动力学、材料科学、数学和计算机科学等众多学科和领域，给其系统研 究带来了很大的困难。 但是，由于小孔效应是激光深熔焊接过程中最本质的特征，因此，研究小孔 效应具有极其重要的理论意义与实际应用价值。研究小孔效应，不仅要研究小孔 形成的条件，而且要研究小孑l 的形状、尺寸、稳定性及其影响因素，更为重要的 是要研究小孔效应在激光深熔焊接过程中的作用。 1 3 国内外对小孑l 效应的研究现状及其存在的主要问题 目前对激光深熔焊接小孔效应的研究主要有试验研究和模拟研究两个方面。 试验研究是模拟研究的基础，具有直观性强的优点，但所需的研究时间长、费用 高，而且研究结果缺乏系统性、归纳性。相反，通过对激光深熔焊接过程小孔效 应的模拟，不仅能加深对激光深熔焊接机理的认识，而且能预测各种加工参数对 焊接结果的影响，优化激光焊接的工艺参数，大大减少试验研究的费用和时间。 但是，模拟研究的结果正确与否，只能通过试验来验证。对激光深熔焊接过程中 的小孔效应，不论是理论研究还是模拟研究，都集中在小孔的形状、尺寸以及等 离子体等方面。 1 3 1 , j x 孑l 形状的研究 关于小孔的形状，有以下几种简化处理方式。由于激光深熔焊接过程所产生 的小孔直径很小，最简单、最直观的处理方法是把它视为一个移动线热源。1 9 4 2 生g j a e g e r l 6 】最早提出小孔的移动线热源理论，将小孔简化成一根线。之后，1 9 4 6 3 同样也适用于激光焊。s i m o n r 7 】等人则在假设小孔为圆柱体形且孔壁各处热流 密度相同( 不假设孔壁的温度为气化温度) 的前提下也建立了移动圆柱体热源模 型，计算并和n o l l c r 的圆柱体热源模型与r o s e n t h a l 的线热源模型进行了比较之后 发现，温度场分布在远离热源处，圆柱体热源模型与线热源模型没有什么重大差 异，但是在近热源区差异非常的明显。x i a o h uy c 1 8 】在圆柱体小孔模型的基础上 利用相关边界条件计算模拟出熔池的形态、流体速度分布，并进行了2 d 和3 d 情况下的温度场流场的比较。h a n b i nd u 1 9 】则考虑了等离子体热源效应，将等离 子体处理成一个平面热源，建立了一个平面热源和圆柱形表面热源组合的复合热 源模型，然后通过求解能量平衡方程、质量守恒、动量守恒方程得到温度场和流 场。 以上这些模型均假设小孔为直径上下一致、轴线为一直线的圆柱体。然而， 4 硕士学位论文 a r a t a 等人【2 0 2 3 1 对小孔的的试验研究表明，小孔的直径是随深度而变化的。 于是，d o w d e n l 2 4 】建立了基于圆锥形小孔的激光深熔焊接模型。l a n k a l a p a l l i 【2 5 1 、p s o l a n a 2 6 】、c l a m p a 2 7 】等均在d o w d e n 的模型基础上深入地研究了小孔 附近熔池的温度场、流场分布。 同时，w e i 等【2 8 】在考虑气液界面能量平衡的条件下，建立了一个动态特性的 小孔形状和温度分布模型，发现小孔形状为类似高斯分布形状。在此基础上， c h a n gws 等【2 9 】建立了g a u s s 圆柱热源小孔模型，赵海燕【3 0 1 、张瑞华【3 1 】贝0 建立了 旋转g a u s s 曲面体热源的小孔模型。刘黎明等【3 2 】则根据y a g 激光与t i g 复合热源 焊接的物理特征，在c h a n gw s 的模型基础上建立了基于旋转高斯体热源与高斯 面热源相结合的新型复合热源焊接模型。 虽然以上圆锥形、圆柱形或者高斯面模型考虑了小孔深度方向上的变化，但 是根据jmj o u v a r d 等【3 3 】用x 光照相技术得到的每个激光脉冲后的小孔的形貌以 及金湘中【2 1 、张屹【3 l 等利用“三明治”方法结合高速摄影的方式从焊接侧面获得的 清晰的小孔照片可以发现，小孔是稍微向后倾斜的，因此将小孔模型假定为旋转 对称也是不准确的。ps o l a n a 3 4 1 、v s e m a k 3 5 1 、a m a t s u n a w a 3 6 l 等在求解能量和， 压力平衡的过程中建立了一个基于实际情况下小孔的熔池动态模型的完整的焊 接熔池和小孔特性的3 d 模型。用数值计算的方法模拟了小孔孔壁前沿的速度、 温度分布以及小孔孔壁形状，并考察了焊接速度对孔壁形状和流体速度的影响。 这些小孔模型虽然形状上关于光轴不旋转对称，而且中心和光轴不重合而是 稍微倾斜，但是没有考虑激光在小孔内的多次反射吸收和逆轫致辐射吸收。金湘 中等1 3 , 3 7 - 4 1 l 利用“三明治 方法结合高速摄影的方式从焊接侧面获得了清晰的小，。 孔，并利用实际观测的4 , - 孑l 建立了基于试验实际测量的小孔模型，还利用菲涅尔 公式与几何光学原理计算研究了小孔内等离子体的逆轫致辐射吸收与孔壁的多 次反射吸收，得到了小孔孔壁上的能量分布曲线。 关于小孔的尺寸，现有模型大多假设在工件表面处小孔的半径等于入射光斑 的半径，孔壁温度则等于工件材料的气化温度。事实上，小孔的直径是由具体的 加工条件( 如工件材料、激光功率、焦点位置、焊接速度等) 决定的。 孔壁温度则是与小孔内的压力密切相关的。k l e m e n s 4 2 j 最早发现小孔内的压 力超出大气压一小部分，d o w d e n 4 3 】等人发现小孔内的压力超过大气压的十分之 一，i f i j p o s t a c i o g l u 4 4 】等人则认为这一压力差值只有大气压