（材料加工工程专业论文）大功率激光焊接熔池特性数值模拟.pdf

兰州理工大学硕上论文摘要 摘要 随着现代技术的发展，激光焊接的功率越来越大，出现了1 0 k w 的f i b e r l a s e r 焊接新技术，可以焊接l o 哪厚的不锈钢板，焊缝宽度仅l 舢左右。当激 光功率为1 0 k w ，焊速为4 2 0 m m i n 时形成特有的大长宽比焊接熔池，本文采用 数值模拟的方法对此现象进行了研究。首先运用焓一孔隙度方法建立了移动热源 作用下激光焊接过程的控制方程组，给出能量方程和动量方程的边界条件，然后 在软件p h o e n i c s 3 4 中进行二次开发，分别在q l 控制卡和模块g r o u n d 中编制相 应的接口程序，模拟了浮力、表面张力、反蒸发力单独作用及联合作用下不锈钢 大功率激光焊接的温度场和流场。论文最后分析了反蒸发力与熔池长度之问的关 系，并且验证了模型在低碳钢激光焊接时的实用性。通过模拟结果与试验结果的 对比发现：在大功率激光高速焊接时喷发的等离子体对熔池内金属的流动产生很 大的影响，等离子体的喷发加速了“匙孔附近熔池内金属的流动，将热量带向 熔池后部，是大功率激光焊接大长宽比熔池现象形成的主要原因。 关键词：大功率激光焊接小孔反蒸发力 p h o e n i c s 兰州理工大学硕仁论文a b s t m c t a b s t r a c t i j a s e rw e l d i n g ，w h i c hh a sm a n yt e c h n o l o 西c a la d v a n t a g e si n c l u d i n gi t s h i g l l e n e 唱yd e n s i t y ，h i g h - p r e c i s i o na n dh i 曲e f f i c i e n c y i sw i d e l yu s e di na e r o s p a c e ， a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g ，a n do t h e rm a t e r i a l sp r o c e s s i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e mt e c h n o l o g y ，f i b e rl a s e fh a sb e e nr e c e i v i n ga t t e n t i o nd u et oi t sa d v a n t a g e so f h i g h p o w e ra n dh i g h - b e a mq u a l i t yt 0p i o d u c en a r r o wa n dd e e pp e n e t r a t i o nw e l d sa t h j g h w e k i i n gs p e e d s 1 nt h i sr e s e a i | c h ，f i b e fl a s e rw e l d i n gw a su s e dt ow e l df o r1 0 m m s t a i n l e s ss t e e lp l a t ew i t h1 0k wf i b e rl a s e r ，4 2 0 m m i nw e l d i n gs p e e d w ef b u n dt h a t t h em o l t e np o o lw a sl o n ga n dn a r r o w 1 1 1t h i sp a p e ram a t h e m a t i c a lm o d e li sd e v e l o p e d t od e s c r i b ea n de x p l a i nt h i sp h e n o m e n o nb y u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a n o n e p h a s ec o n t i n u u mm i x t u r em o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rc a l c u l a t i n gn u i dn o w t e m p e r a t u r ef i e l da n dl i q u i df a c t i o nf i e l do nt h ep r o b l e m so fs o l i d l i q u i dp h a s e t r a n s f o 肿a t i o nf o rm u l t i p h a s es y s t e m sb ys o l v i n gas e to fc o n s e a t i o ne q u a t i o n sa n d s u p p l e m e n t a r ye q u a t i o n si se s t a b l i s h e db yc o m b i n i n gn u i dn o wd y n a m i c a le q u a t i o n s a n dp o r o u sm e d i a lf l o we q u a t i o n s e n e r g yb o u n d a r i e sa n dm o m e n t u mb o u n d a r i e sa r c l i s t e d u s i n gt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r cp a c k a g ep h o e n c i s3 4 ，t h ei n t e r f a c e p r o g r a m so fq 1c o n t r o lc a r da n di n t e r f a c em o d u l eg r o u n dh a v eb e e ne s t a b l i s h e d f l u i dd y n a m i c sd r i v e nb yk i n d so f 五d i e sa r es t u d i e dj n t h i sp a p e r ，f i u i df l o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l d si nam o v i n gw e l d i n gp ) 0 lo fs t a i n l e s sa r es i m u l a t e dw i t l ld i 虢r e n t w e l d i n gp a r a m e e r s b yc o m p a r i n g w i t ht h er e a li m a g e sa n dt h es i m u l a i o nf e s u l t sw e g e tt h em a i nr e a s o nf o rt h ef 0 姗a t i o no ft h el o n g n a r m wm o i t e np o o li nh i g hp o w e r l a s e rw e l d i n g t h er e c o i lp r e s s u f ci so b v i o u si ni n c r e a s i n gb o t ht h ev e l o c i t yo ft h e l i q u i dm e t a la r o u n dt h ek e y h o l ea n dt h el e n 舒ho fm o l t e np 0 0 1 i ti st h em a i nr e a s o nf o r t h ef 0 咖a t i o no fl o n g - n a l l r o wm o l t e np ( 0 1 k b yw o r d s ：h i g t lp o w e rl a s e rw e l d i n g ；k e y h o l e ；r e c o i lp r e s s u r e ；p h o e n i c s ； i i 兰州理工人学学位论文原创性声明和使用授权说明 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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。 轹舻 日期：解月。日 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，即： 学校有权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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：加孑年 日期：函格年 几月哆日 月c 2 日 兰州理工大学硕十论文第l 章绪论 1 1 激光焊接概述 第1 章绪论 自1 9 6 0 年发明第一台激光器以来，人们对激光的特性进行了诸多研究，并 论证了激光的应用前景，在1 9 6 4 - 1 9 6 5 年期间相继发明了c 0 2 、y r a g 激光器后 进一步证实了激光加工材料的可行性，这是因为这两种激光器可以产生高的平均 功率和峰值功率。近年来经过物理学家对激光特性和激光束与物质相互作用机理 的研究，激光技术的应用领域已经不断明确和具体化。 激光焊接技术是激光工业应用的一个重要方面，它经历了由脉冲波向连续波 的发展，由单工作台单工件加工向多工作台多工件同时焊接发展，以及由简单焊 缝形状向可控的复杂焊缝形状发展等一系列的发展过程。激光焊接的应用领域也 随着激光焊接技术的发展而不断扩大，目前，激光焊接技术己在航空航天、武器 制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域得到广泛应 用，很多学者将激光加工连同电子束加工和离子束加工并称为2 l 世纪最具发展 前景及最有效的加工技术i 。 激光焊接有两种基本方式1 2 j ：传导焊与深熔焊。 ( 1 ) 传导焊依靠热传导方式把激光的能量由工件表面向工件内部传递，通过 控制激光工艺参数使工件上形成一定深度的熔池，同时表面无明显汽化。早期采 用脉冲固体激光器进行的焊接即属于这种类型的焊接，现多用于微电子器件等小 型精密部件的焊接。 ( 2 ) 深熔焊是指高功率密度的激光照射工件表面，使辐照区域表层局部熔化、 汽化，在汽化膨胀压力的反作用力下部分熔融材料被喷出，从而在材料内部形成 小孔，依靠小孔效应把激光能量直接传递到工件内部。随着工件相对于光束的移 动，小孔保持稳定并在材料中移动，其后的熔融材料不断凝固而形成焊缝。 激光焊接与其它传统焊接工艺相比，有着许多优点【3 】： ( 1 ) 焊接速度快，激光束能量容易控制且可以在中、远距离条件下进行焊接。 ( 2 ) 焊接质量高，由于激光束射到材料表面后会使材料迅速熔化和汽化，剧 烈汽化形成的金属蒸汽压力很大，足以克服液体金属的表面张力而对熔融的金属 产生强烈的挤压而形成小孔，这种现象被称之为激光焊接的小孔效应。由于小孔 的底部能量小，材料会快速凝固，然后由周围熔化的材料流动将孔腔填满，从而 兰州理1 = 人学硕一j 论文第1 章绪论 形成焊缝。另外，由于焊接过程中被汽化的材料会对焊口部位形成冲击小孔，也 等于对焊口产生了净化作用，非金属元素和夹杂物的充分逸出降低了杂质含量， 从而使焊缝质量得到改善。 ( 3 ) 可对各种难熔的耐高温金属材料、导体材料和非金属材料进行焊接，这 是其他焊接方式难以实现的，例如激光可对陶瓷进行焊接等。另外，激光束不受 电场和磁场影响，可用于磁性材料的焊接。 ( 4 ) 可以不用焊料，对焊缝材质不污染，同时能够实行超净化焊接，有时甚 至可以将激光通过激光透镜窗口，进入封闭的超净化室进行焊接。 ( 5 ) 应用范围广，不论是微型零件还是大型结构件均可采用。焊接方式如对 接焊、搭接焊、角接焊、端接焊和全位焊接等都可以采用激光焊接。 ( 6 ) 生产效率高，操作灵活，易实现自动化。 当然采用激光进行焊接也存在着一些不足之处： ( 1 ) 与电子束一样，激光加工设备的一次性投资偏大。 ( 2 ) 构件的装配在焊接过程中也可能引起激光束具有危险性的反射。 ( 3 ) 在热导率较大的金属材料进行焊接时，焊接启动瞬间因使用较高的激光 能量密度，有时会导致激光反射回激光器，从而引起光学元件的损坏。 ( 4 ) 高反射率材料( 如铝、铜等) 的激光焊接，如要减少反射，在必要时需采用 涂层材料。 ( 5 ) 激光束的紧密聚集、热量向工件的有效传递以及狭小的热影响区等优点， 也带来了接头装配的难题，很小的组装偏差就会导致焊接条件较大的变化，甚至 很窄的间隙也能引起激光辐射耦合的缺陷和热效率的降低。 ( 6 ) 包括激光器及用于激光束传导和聚集的附属系统成本过高，运行成本也 很高，特别是需要大量昂贵保护气体( 如氦气等) 的应用场合。 尽管激光焊接存在着一些不足，但是激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主 要位置，并取代一些传统落后的焊接方法的趋势却越来越明显。现今激光焊接技 术在迅猛发展的同时，也面临着一些新的课题，其中包括：高功率激光器的开发 以及在焊接中的应用；激光焊接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响；超薄 板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测；激光焊接时声、光、电信号的反馈 控制；纳秒级短脉冲高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制等等。激 光焊接技术面临的这些新的挑战，有待于从事激光焊接的研究人员作更深入的研 究和探讨，同时，这些新问题的提出也预示着激光焊接技术正朝着更加深化的方 向发展。 2 兰州理工大学硕j j 论文第l 章绪论 1 2 开展激光焊接数值模拟的意义 激光焊接是一个涉及传质传热、冶金和力学的复杂过程，以往在研究激光焊 接技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的焊接试验不仅增加了生产 的成本，而且费时费力。随着计算机数值模拟技术的进步，计算速度和模拟精度 不断提高，利用数学方法寻求对激光焊接过程的定量或半定量认识已成为可能。 激光焊接数值模拟正是在这种背景下应运而生的，特别是近年来随着计算方法、 计算传热学和计算流体力学等研究领域的迅猛发展，以及大型工程分析软件的不 断完善，使研究工作者对激光焊接过程进行数值模拟和仿真成为可能，迄今为止， 激光焊接数值模拟技术已经有了很大发展和进步。用数值模拟的方法来计算焊缝 形状、模拟熔池温度场、流场等能够为评价并控制焊接质量提供一个重要的参考 指标，其中熔池形状对焊缝形状的决定作用尤为重要，因此建立激光焊接的数学 模型及激光焊接工艺优化预测模型，对于预测焊接结果、实现激光焊接工艺参数 预选和优化、减少工艺试验次数、降低生产成本、控制激光焊接过程以及防止出 现焊接缺陷等，都具有十分重要的理论指导意义及实际应用价值。 1 。3 激光焊接数值模拟的研究现状 1 3 1 数值模拟计算方法的发展 焊接过程数值模拟的常用计算方法包括解析法和数值解法。 解析法以数学分析为基础，得到用函数形式表示的解，在求解的过程中，物 理概念及逻辑推理清楚，所得到的解能比较清楚地表示出各种因素对热传导过程 和温度的影响。但对于情况稍复杂，如边界有辐射换热等情况时，解析法就很难 或不可能求解了，除非对原有问题进行大量简化，做出很多假设：如激光能量服 从均匀分布、材料的物性参数为常数、不考虑相变潜热和辐射传热等，这在一定 程度上影响了求解的准确性。 数值解法以离散数学为基础，以计算机为辅助工具，其理论基础虽然不如解 析法那样严密，但对实际问题有很大的适应性、一般来讲，稍复杂的热传导问题， 几乎都需通过数值解法求解。常用的数值解法有数值积分法、有限差分法和有限 元法等。 3 兰州理t 大学硕 ：论文第l 章绪论 1 3 2 激光焊接数值模拟中热源模型的发展 激光焊接热源模型经历了直接作用在有限元单元上的内生热模型、高斯分布 热流模型、双椭球热源模型、高斯分布体热源模型的发展过程。 ( 1 ) 直接作用有效功率在有限元单元上的内生热模型。在进行高能束焊接 ( 激光焊接和电子束焊接) 过程模拟时，为了模拟小孔效应，将束流的有效功率 作为内生热( 体载荷) 直接施加在有限元单元上也是简便而又行之有效的策略。 c a m i g i l a n i 【4 】在厚钢板激光深熔焊瞬态有限元分析时，在激光光束作用下，沿板 厚方向单元体积生热率来模拟激光束的加热作用，单元生热率沿焊接方向移动， 并且假定第一层单元( 1 m m ) 生热率为激光净输入功率的7 5 ，而1 m m 以下的单 元生热率为激光净输入功率的2 5 ，在此基础上进行了激光深熔焊接的温度场和 应力变形模拟。 ( 2 ) 高斯分布热源模型 m a z u m d e r 和s t e e n 【5 1 研究了连续激光焊接工艺的数学模型，该模型认为激光 热源呈高斯分布，对其运用有限差分方法进行差分，并假设沸点以下，激光能量 吸收率为2 0 ，但超过沸点时1 0 0 吸收，同时假设能量吸收遵循朗伯一比尔定 律， q ：= q o e 一以 ( 1 1 ) 此处屈是吸收率，q z 和劬分别是深度z 和表面处的能量密度。该模型可以 模拟小孔形成的物理现象。 z a c h a r i a l 6 1 等也研究了激光焊接二维有限差分模型，用高斯热流方程来描述 对流和熔化区的传热过程，其高斯热流表述为： ，尝唧( 一等) 2 ， 万 i j，1 ，、 式中，有效半径厂n 为能量密度下降到峰值的5 处的半径。 s a t s i r k a s 【7 】等人采用高斯热流分布模型进行了平板激光焊接的数值模拟， 提出用如下的热源模型可以很好地模拟小孔效应： 一2 希p l - ( r r o r ( 1 一言) 3 ， 此处，p 为吸收的激光束功率，0 为小孔顶部的初始半径，h 为深度，为 当前距离小孔轴线中心的距离，z 为当前深度。 兰州理工人学硕十论文第l 章绪论 ( 3 ) 双椭球型热源模型 在用椭球形热源分布函数计算时，人们发现在椭球前半部分温度梯度不像实 际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。为克服这个缺点， a g o l d a k 【8 】提出了双椭球形热源模型，如图1 1 所示。这种模型将前半部分作为 一个1 4 椭球，后半部分作为另一个1 4 椭球。设前半部分椭球能量分数为 ，后 半部分椭球能量分数办，且五+ 尼= 2 。 前半部分椭球内热源分布函数： 撕) 一裟c x p ( 喇( 抄睁” ( 1 4 ) 石口d c口 dc ( 1 4 ) 撕) 一裟e x p ( _ 3 ( ( 2 咿) + ( 渺 ( 1 5 ) 万口d c 口dc ( 1 s ) 式( 1 4 ) 和式( 1 5 ) 中的口，6 ，c 可取不同的值，它们相互独立。在焊接 不同材质时，可将双椭球分为4 个1 8 的椭球瓣，每个可对应不同的口，6 ，c 值。 图1 1双椭球热源模犁【8 j ( 4 ) 高斯分布体热源模型 s o n t i 和a m a t e a u 【9 l 将激光焊接的热输入作为内生热，但不是采用表面热流的 方式，而是采用以下的关系式： 肌，4 舞唧k 。习6 ， 因此，热源在半径方向是高斯分布，而在板厚方向呈指数衰减。式中，有效 半径r o 和能量深度z 为能量密度下降到峰值5 处的值。 另一个体热源模型，认为激光束在横向上呈高斯分布，而在板厚方向深度为 d t 内均匀分布，从而形成一个“高斯圆柱，其表达式为： 5 兰州理丁大学硕1 j 论文第1 章绪论 肌) 一者唧( 一争( z ) “( z ) = 1 oszs d t “( z ) = oz 畋 ( 1 7 ) 式中，有效半径r 0 为能量下降到峰值的3 7 处的半径；d t 为小孔最大深度 或等离子体的最大穿透深度【删。 薛忠明f l l 】等人对板厚不大( 4 m ) 的试件，提出了激光焊接的热源模型，认为： 激光器输出的聚焦激光光斑的功率密度分布近似为高斯分布，且高斯热源在板厚 方向均匀穿透，考虑热输入为体热源生热。高斯热源的功率密度分布为： 拈。兰唧f - 坐掣1 万乞 ( 1 8 ) 式中：口为热流集中系数，对应于口取1 、2 、3 的值时，高斯热源的能量分 布百分比分别为6 3 2 ，8 6 4 ，9 5 0 2 ，为热流分布的特征半径，p 为有效 功率，取入射激光功率p o 的4 0 6 0 。对于通常的激光焊接规范，佩克莱特数 见小于o 2 ，其中p e 2 v ，c 玑，小孔近似为柱面，因此，该模型也可认为是高 斯圆柱 热源模型。 吴鞋【1 0 l 等人考虑到高能束焊接时的特殊能量分布方式，在前人研究的基础 上建立了新的旋转g a u s s 曲面体热源模型，并进行了实际的数值模拟，效果良好。 王宏【1 1 】等人选择了高斯旋转体与双椭球组合热源模型，组合热源模型的上部 是高斯旋转体热源，下部是双椭球热源，数学表达式为： 舶粥z ) - q ( o 0 ) e x p 【赢酽 2 ) 】 b 啊 q 一一删舡川一篙等e x p ( _ 3 e x p ( _ 3 净 0 从j i l ， a c n 兀兀 uu 柙o ) 2 器 9 ， 式中x ，7 ，c ，分别为入射激光在上下两部分之间的分配系数、激光吸收系数和 热源集中系数，口，c ，j l ，q 删分别为双椭球前后两部分的尺寸、板厚和热源总能量， j i l - 代表两种热源不同作用分割的某一厚度尺寸。此模型的参数是依据实验条件反 复实验获得的。 6 兰州理工大学硕 论文第1 章绪论 1 3 3 数值模拟过程中考虑因素由单一到综合 ( 1 ) s w i 拼1 2 j 较早地对激光焊接传热过程进行了研究，因当时激光功率不高， 不用考虑金属汽化蒸发的影响。该文献给出了柱状移动线热源作用下激光焊接温 度场的解析表达式，表达式中假设材料的热物性参数为常数，分别用不同的贝塞 尔函数修正了高速焊和低速焊接时温度场的差异。由于没有考虑板厚方向的温度 差异，实际模型为二维。该方法的优点是计算简单，能迅速获得激光焊接温度场， 缺点是模型过于粗糙，计算结果与实测结果误差很大。k e l m a n s l l 3 】采用极坐标系 模拟了静止激光热源作用于半无限大板的导热现象，考虑了热量沿径向的传导， 通过计算获得了小孔形状，并对小孔内的能量平衡进行了分析。但由于模型过于 简单，所得出的结论具有片面性，也与实际结果存在很大的误差。 ( 2 ) m a z u m d e r 等1 1 4 j 对服从高斯分布的激光移动热源温度场进行了研究，同 时考虑了保护气体对散热的影响，沿小孔深度方向，小孔吸收的能量按一定规律 变化，该模型能够预测小孔的形状和大小。 ( 3 ) d o w d e n 等【1 5 以7 】采用交错网格技术对未穿透激光焊接传热过程进行了较 全面地研究和探讨，系统地研究了激光深熔焊接过程中小孔周围液态金属的流 动，分别考虑了焊接速度较低时熔池金属粘度为常数、粘度随温度变化、熔池金 属无粘性流动以及高温区无粘性而低温区有粘性等四种不同情况下的流速变化； 随后，他们又建立模型讨论了小孔内能量传输机制，认为光致等离子体吸收了相 当部分的激光能量，其中一部分能量又通过小孔壁传递给工件；通过建立熔池流 动二维模型，讨论了材料吸收激光能量和焊接速度与熔池熔宽的关系；研究了熔 池自然振动频率与焊接接头表面波纹频率之间的关系，并分析了小孔开合频率对 接头波纹的影响；分析了贝克莱数随温度变化时对熔池区域大小的影响；研究了 小孔内等离子体逆韧致辐射的效果；并使用点线组合热源模拟了深熔焊接时的接 头形貌，解释了深熔焊缝截面呈“钉头”状的原因。 ( 4 ) 刘建华教授等【1 8 】一方面考虑了激光束通过菲涅尔吸收沿柱状小孔壁传递 热量，另一方面也考虑了高温等离子云作为附加热源对熔化熔池的贡献。文献【1 9 】 中建立的三维准稳态模型模拟了激光未穿透焊接熔池的液态金属流动过程，综合 考虑了浮力和表面张力梯度作为液体金属流动的驱动力，但熔池的形貌通过计算 获得，而不是事先给定的。p o s t a c i o 西u 掣2 0 i 建立了三维稳态流动模型，研究了静 止光束作用的激光熔池流动情况。模型采用极坐标系，假设表面张力是到熔池中 心距离r 的函数，分别考虑了函数为线性或非线性时，熔池表面流动速度的改变 情况，并给出了熔池表面流速和熔池温度以r 为自变量的函数表达式。 7 兰州理丁大学硕上论文第1 章绪论 ( 5 ) s o l a n a l 2 1 】所建立的三维模型通过求解能量和压力方程，确定了未穿透激光 焊接熔池形状。其特点是认为等离子体与小孔之间为自由边界，所有的边界都是 通过计算获得，而不是靠计算前假定；分别为小孔中等离子体导热和固体金属导 热建立热传导方程，全面地考虑了小孔与固体导热的相互影响，能量方程中考虑 了等离子体对激光能量的逆韧致吸收、小孔壁面的菲涅尔吸收效应、热传导损失、 蒸汽蒸发造成的能量损失，压力方程中考虑了蒸汽的反冲压力与表面张力的平 衡。模型中假设在中等焊接速度条件下，通过迭代法求解能量方程和压力方程来 获得温度场，从而确定熔池和小孔的几何尺寸。 ( 6 ) 何小东等人1 2 2 j 基于有限元分析软件a n s y s ，以激光焊接和t i g 焊接温度 场模拟为基础，对钛合金薄板的焊接残余应力进行了数值模拟，并分析了不同焊 接工艺参数对激光焊接和t i g 焊接残余应力分布的影响。数值模拟中考虑了材 料参数的温度相关性，并与小孔释放法测试的焊接残余应力进行比较，结果表明： 计算结果和测试结果吻合较好。 ( 7 ) 梅汉华博士【2 3 1 提出的小孔和焊缝成形的数学模型，该模型考虑了激光束 空问几何形状和能量密度空间的分布状态，定量分析了激光束质量因子、导光系 统和聚焦系统的光学参数和离焦量对小孔和焊缝成型的影响，基于能量守恒和热 传导定律而得到模型。但该模型假设过多，影响了精确程度。 ( 8 ) 熊建钢博士也通过解析法对未穿透激光焊接模型进行了研究，通过求 解“液一汽”、“固一液”界面的相变界面来获得小孔及熔池形貌，对菲涅尔吸收 机制进行了深入的研究。该模型能用于计算激光焊接工艺参数对小孔及熔池形状 的影响。 纵观以前的这些研究成果，计算方法从解析法到数值解法，热源模型由点热 源到面热源再到体热源，从二维模型到三维模型，考虑因素由简单到复杂，已越 来越接近实际情况，这促使着激光焊接热模拟技术更进一步地成熟和发展，也为 本课题的研究提供了借鉴和帮助。 1 4 本文的主要工作内容 作者的导师在日本工作期间，利用1 0 k wf i b e rl a s e r 焊接厚度为1 0 m m 的不 锈钢板，焊缝宽度约1 m m 左右，试验装置示意图如图1 3 所示。在利用高速摄 影机( 1 0 0 0 0 帧秒) 拍摄不同焊速下焊接过程时，发现在激光功率为1 0 k w ，焊 速为4 2 0 m m i n 时熔池长宽比很大，从图1 4 中可以很清楚地看到这一现象。 8 ! h i 学顷十论文第l 章绪论 图13 试验装置示意削 图14 大功率激光焊接时的长熔池现象 目前对这种大功率激光焊接时特有的长熔池现象的研究较少现有理论并不 能很好解释这种长熔池形成的原因。本文利用数值模拟技术对该现象进行深入研 究。由于在激光焊接过程中熔池内的液态金属受到表面张力、浮力、反蒸发力等 缸肿删 兰州理t 大学硕上论文 第l 章绪论 诸多因素的影响，所以需要在有关的数学模型控制方程( 包括质量连续性方程、 动量和能量守恒方程) 的基础上，再加上边界条件等辅助方程来进行模拟。对于 焊接过程，熔化凝固( 固液相变) 过程存在着三个不同的区域，即固相区、液 相区、糊状区，因此在数学模型的建立上，运用焓孑l 隙度方法，建立多区域相 变的单相统一控制方程组。另外本文采用固定坐标系，但由于是移动热源，所以 把坐标系附加在热源上，从而把热源的移动转化为工件的相对运动。 数值计算上，利用计算传热与流体动力学的大型软件p h o e n i c s ，进行二 次开发，分别在q 1 控制卡和g r o u n d 文件中编制相应的接口程序，进行激光 焊接熔池流场和温度场的计算，分析长熔池形成的原因，这将对深入研究大功率 激光焊接，推进该项技术的应用具有重要的实用价值。 1 0 兰州理工人学硕上论文第2 章p h o e n i c s 软件简介 第2 章p h o e n i c s 软件简介 本文在进行激光焊接过程数值模拟时采用p h o e n i c s 3 4 软件。p h o e n i c s 软件是在s a m p l e r 算法的基础上由英国的c h a m 公司发展的，它是英国皇家 学会d b s p a l d i n g 教授及4 0 多位博士2 0 多年心血的典范之作，于1 9 8 1 年首 次公开发行，是世界上第一个最早投放市场的计算流体力学领域杰出的通用商业 软件，是可以模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用c f d 软件，可以解决由 部分控制方程、传热方程、质量和动量传输方程组成的方程组。它在全球的大学、 研究所以及工业界都得到了广泛的应用。 该软件采用有限容积法来实现控制方程的离散化，差分格式可以在给定范围 内任意选择，对于强烈耦合的流场和压力场，采用s i m p l e s t 算法来求解其代 数方程组。该软件也具有较强的前处理和后处理能力，便于使用者对其计算结果 进行直观地阅读和分析。下面将对p h o e n i c s 软件的特点、结构、计算方法等 做简要介绍【2 5 】1 2 6 1 。 2 1p h o e n i c s 的特点 除了通用计算流体计算传热学软件应该拥有的功能外，p h o e n i c s 软件有 自己独特的功能： ( 1 ) 开放性：p h o e n i c s 最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要 任意修改添加用户程序、用户模型。p l a n t 及i n f o r m 功能的引入使用户不再 需要编写f o r t r a n 源程序，g r o u n d 程序功能使用户修改添加模型更加随意 和方便。 ( 2 ) c a d 接口：p h o e n i c s 可以读入任何a 软件的图形文件。 ( 3 ) 大量的模型选择：2 0 多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃 烧模型，辐射模型。 软件拥有v r ( v i s u a lr e a l i t v 虚拟现实) 彩色图形界面菜单系统，使几何生成、 问题的定义及前后处理只需鼠标即可轻松完成，网格自动生成，可在w i n d o w s 和u n i x 系统下动态显示监视点上的值和收敛残差值，求解过程中可中途干预、 修改和暂停。软件有三种前处理方式( v r 窗口、菜单、f o n r a n 编程) 供选择，软 件自带1 0 0 0 多个例题与验证题，附有完整的可读可改的原始输人文件，开放性 好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，用户只需输入数 兰州理t 人学硕二士= 论文第2 章p h o e n l c s 软件简介 学表达式即可。 2 2p h o e n l c s 的结构 p h o e n i c s 软件是计算传热和流体力学较成熟的软件之一，安装到电脑上 的p h o e n i c s 主要由两部分组成：p o u s ( 在线信息系统) 和p h o e n i c s v r ( v i s u a lr e a l i t v 虚拟现实) 。 程序由前处理、求解器和后处理模块构成。图2 1 为软件的总体结构。前处 理s a 丌l l i t e 是一个数据准备单元，它创建求解器啪h 能够阅读的数据文 件。求解器e 舢玎h 对所建的模型进行处理。在p h o e n i c s 界面中建模，然后 通过e a r t h 处理获得初步数据，后处理可以调用不同的后处理程序来完成。 p h o t o n 和v r v i e w e r 可将数据文件处理得出彩色轮廓图、矢量图和范围分 割图等；a u t o p l o t 可以对数据进行描点连线和比较；当然通过其他方式也可 将导出的数据文件用相应的软件进行处理。g r o r n d 是e a r t h 的一个子程序， 在这个子程序中，可以加入所需要的特殊边界条件，通过e a r t h 调用g r o r n d 进行处理，即可完成数值模拟的工作。 匿圈 图2 1 软件的总体结构【冽 p h o e n l c s 软件操作的三个主要功能为：问题的定义、模拟计算、模拟实 现。图2 1 中在白色方框中的四个名字，分别用于模块之间的联系。其作用分别 如下： 1 2 兰州理工大学硕 ：论文第2 章p h o e n i c s 软件简介 q 1 ，人工可识别数据文件，以软件输入语言p i l 语法格式书写，文件用于 表达作者的主要意图。e a r d a t 是一个a s c n 文件，由作者输入的q 1 文件编译 成的e a r t h 可支持的形式。 p h i ，由e a r l m 按照特定的语法编译的可被p h o t o n 和a u t o p l o t 识别 的文件，可将计算的结果进行可视化曲线描述。 r e s u l t 结果文件是一个用矩形图或曲线形式的a s c i i 文件。 g r o u n d 是一个与q 1 相对应的模块，它也有2 4 个g r 0 u p ，其结构与q 1 一致，g r o u n d 的功能和q 1 罩的2 4 个g r o u p 是一一对应的。g r o u n d 是 一个基于f r o t r a n 语言编写的模块，当q 1 中的p i l 语言不能完成对复杂问题 的定义时，研究者可以在此编制f r o t r a n 程序，以便由q 1 调用来完成复杂的 模拟。 q 1 中调用g r o u n d 的标准p i l 语句为： n 气t c h ( n a m e ，t y p e ，i x f ，i x l ，i y f ，i y l ，i z f ，i z l ，i t f ，i t l ) c o 、乃气l ( n a m e ，p h i ，f l x v a l f i x f l u ，g r n d 1 2 ) 在对应的g r o u n d 的g r o u p 中应当输入对应的f o r l 限a n 语句。 2 3p h o e n i c s 的计算方法 2 3 1p h o e n i c s 的计算过程 软件内部程序q 1 是_ 个p h o e n i c ss a r e l l i t e ( 前处理) 模块，是软件 在做任何事情之前必须先进入的a s c i i 子程序，它将告诉软件需要运行多少程 序，在什么地方进行交互式的操作。q 1 可以用于将数据传递给g r o u n d ，在q 1 和g r o u n d 中相应的分别共建立了2 4 个“g m u p 子程序，分别用于建立几何模 型、材料的定义、剖分网格、边界条件和其他参数的设定和编程。 p h o e n i c s 软件对许多问题的解决已经形成了较成熟的模块化的子程序， 其自身有特殊的代码，计算时只要通过e a r l m 调用相应的子程序模块即可。其 主要的运行过程如下图2 2 ，主程序( m a i n ) 通过e a n h 调用g r e x 来完成对计 算问题的模型尺寸的模拟计算。g r e x ( t h eg r o u n de x a m p l e ) 和g f o u n d 是e a n h 可调用的子程序中的其中两个，g r e x 包含有软件常用的计算一般问题的子程序 模块，g r o u n d 是可供计算者插入自编的f o n r a n 程序的空白模块。 这样在具体计算时，需要将所要计算的问题( 需要离散的公式) 通过化简变 成软件所能接受的形式，并对照标准公式进行对问题的定义，“对号入座”解决 1 3 兰州理t 大学硕l ：论文第2 章p h o e n i c s 软件简介 问题。 图2 2g r o u n d 的运行不意 对于软件不能直接接受的计算公式，其中包括一些复杂的边界条件，则被认 为是“源项”，也就是说复杂边界条件的加载和源项的加载采用的是相同的方式。 而对于源项的加载需要主程序来调用我们根据软件的要求编译的g r o u n d 子程 序。 2 3 2 边界条件的处理方式 软件对问题进行解决的过程中，最重要也最困难的是在前处理中建立边界条 件。p h o e n i c s 软件有三种前处理方式( v r 窗口菜单、p l l 命令、f 0 r t r a n 语言) 供选择。对于边界条件的加载，软件有其特有的方式，即：可以在建立几何模型 的过程中就加载边界条件，也可以建立好模型后单独加载。 简单的边界条件，可以通过v r 窗口菜单和q 1 中的p l l 命令来完成，而复 杂的边界条件和源项一样，就需要g r o u n d 里编制f o r t r a n 语言来实现。在 q 1 和g r o u n d 里的g r o u p1 3( “b o u n d a r yc o n d i t i 咖a n ds p e c i a ls o u r c e s ”) 是专 门用于加载边界条件的。q 1 中主要命令为“p a t c h ( ) ”和“c o v a l ( ) ”，可以利用 他们直接加载简单的线性边界条件，复杂的非线性边界条件仍需要用f o r t r a n 语言在g r o u n d 环境的相应位置中编程，再进行进一步地计算。本文就是采取在 q 1 控制卡和g r o u n d 接口程序中编制代码，将材料物性参数、激光热源模型、 边界条件等加入到激光焊接模型中来模拟激光焊接过程的。 1 4 兰州理工大学硕t = 论文第3 章大功率激光高速焊接数学模型 第3 章大功率激光焊接数学模型 激光焊接过程中，激光束加热母材金属产生熔化、凝固过程，该过程存在着 三个区域：固相区、液相区和糊状区。糊状区中不存在分明的固液界面，相变 发生在一定的温度范围内，该温度范围构成的相变空间中由固、液两相组成。因 此，在数学模型上，需要建立多区域相变的单相统一控制方程组。 文献【2 7 】中用经典混合理论和半经验定律，将液、固相控制方程相互结合， 建立了描述二元相变系统宏观传输现象的统一模型。对于一个由两组元、固、液 两相组成的相变体系，可根据混合原理和假设条件，推出总质量、动量、能量和 溶质守恒型统一控制方程组，每一方程在整个求解域内( 固相区、液相区和糊状 区) 都是有效的。用经典的混合理论所获得的对流扩散固液相变统一模型控制方 程组在形式上与标准的单相流传输方程完全一致。这个统一模型方程在实际应用 中获得了很大的成功。 在传热问题的数值解法中应用比较多的是有限差分法和有限元法，本文模拟 使用的软件p h o e n i c s3 4 采用的正是有限差分法中的一种控制容积有限差 分法( c o n t m lv o l u m e b a s e df i n i t e d i 骶r e n c em e t h o d o l o g y ) 。控制容积法从控制流 体流动和热传导的基本方程出发，利用了基本方程在控制体积分的守恒性质和有 限差分法的离散技术，该方法也是在流动计算的商业软件中最常用也是最成熟的 一种方法。当然把其应用于焊接熔化与凝固过程的模拟还必须结合实际过程特点 进行具体处理。 3 1 基本模型与控制方程 3 1 1 基本模型 本文所建立的数学模型中，激光束以恒定速度“o 沿z 轴运动，坐标系与激 光束捆绑在一起。本文假设激光焊接熔池内的流体为不可压缩牛顿流体，除表面 张力系数外，其余材料物性参数为常数，熔池的自由表面为平面，浮力项处理方 法采用b o u s s i n e s q 假设，基本模型如图3 1 所示。 1 5 兰州理工大学硕j ：论文第3 章人功率激光高速焊接数学模型 3 1 2 控制方程 图3 1 激光焊接过程示意图 在相对工件固定的坐标系07 ，y ，z ) 中，描述焊接非稳态过程的三维通用控制 方程为： 掣+ 亟掣+ 挚笋+ 亟字- 嘉( r 等) + 专卜詈) + 丢( r 誓) 一芸+ 。j ， m缸 却 赴 觑i缸7 砂i砂j 钇l弛j 缸 其中矽为任一控制变量：多= 1 时，上述方程可表示为连续性方程；西为“， l ，w 时，上述方程为x ，y ，z 方向的动量方程；砂勘时，为能量方程，l 是相 应于西的广义扩散系数，p 为压力，连续性方程和能量方程中没有压力梯度项； s 。为源项。基本模型中，工件相对运动，激光束固定不动，坐标系o g7 ，y ，z ) 对 激光束来说是运动的，而坐标系0 0 ，y ，z ) 捆绑在激光束上，因而相对激光束来说 是固定的。要对激光焊接过程进行模拟，求解熔温度场和熔池内金属的流动场， 需要完成坐标系o ，y ，z ) 到0 0 ，y ，力的转换，其关系如图3 2 所示。 图3 2 坐标变