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1、深熔激光焊接熱過程的數(shù)值模擬張瑞華1樊丁1片山聖二2（1蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘭州730050）(2大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所，大阪，日本，567-0047）摘要：利用旋轉(zhuǎn)GAUSS曲面體新型熱源模型，忽略深熔激光焊時(shí)小孔對傳熱的影響，建立了移動激光熱源作用下的三維數(shù)學(xué)模型。利用PHOENICS3.4軟件，模擬了SUS304不銹鋼深熔激光焊接熱過程的溫度場和熔池熔合線形狀，得到了激光深熔焊接時(shí)的溫度場分布規(guī)律和“釘頭”狀的熔池形狀；同時(shí)也模擬了焊接速度對溫度場的影響。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。關(guān)鍵詞：激光
2、焊接；旋轉(zhuǎn)GAUSS曲面體；PHOENICS中圖法分類號TG40文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號NumericalSimulationofHeatProcessoftheLaserWelding112ZHANGRui-hua，F(xiàn)ANDing，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、深熔焊接時(shí)，高功率激光輻射金屬表面，首先熔化形成熔池，造成表面處的有效加熱半徑較大；隨著激光束流的繼續(xù)加熱，表面材料強(qiáng)烈汽化，產(chǎn)生金屬蒸汽，蒸汽中的起始自由電子通過反韌致輻射吸收激光能量而被加速，直至有足夠的能量碰撞電離材料和周圍氣體，使電子密度雪崩式增長而形成等離子體，進(jìn)而形成小孔，通過小孔，激光束流沿深度方向?qū)ぜM(jìn)行加熱，小孔內(nèi)部的加熱主要靠孔壁上的能[1]量吸收,有效加熱半徑較小，最后形成釘頭焊縫形狀。在激光焊接的數(shù)值模擬中，經(jīng)常采用體熱源模型描[2][3][4]述焊接熱輸入過程,如雙橢球熱源模型、Gauss圓柱熱源模型和柱狀熱源
6、模型等。雖然采用這些體熱源模型能夠獲得較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，但是,利用它們計(jì)算出的焊縫(熔池)形狀與實(shí)際焊接中得到的釘頭[5]狀焊縫還是有很大出入。吳甦等為了準(zhǔn)確模擬出大深寬比的釘頭狀高能束熔池(焊縫)形狀,提出了新的旋[6]轉(zhuǎn)Gauss曲面體熱源模型。本文在此熱源模型的基礎(chǔ)上，用PHOENICS3.4軟件模擬SUS304不銹鋼激光深熔焊接時(shí)熔池的幾何形狀和溫度場的分布，進(jìn)一步揭示深熔激光焊接的物理本質(zhì)。_______________收稿日期：2006-7-1；修訂日期：基金項(xiàng)目：教育部春暉計(jì)劃（Z2004－1－62009）及博士點(diǎn)專項(xiàng)基金
7、（20040731001）資助作者簡介:張瑞華（1970-），男，甘肅人，博士。4192數(shù)學(xué)模型及邊界條件2.1控制方程假設(shè)熔池內(nèi)的流體為不可壓縮牛頓流體；忽略氣化熱損失；材料物性參數(shù)為常數(shù)；只考慮準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)焊接傳熱機(jī)制，焊件的整體溫度場與焊接熔池邊界向周圍焊件傳遞的熱量密切相關(guān)，與熔池內(nèi)部發(fā)生[7]的復(fù)雜傳熱現(xiàn)象關(guān)系很小，基于此，忽略小孔的影響。基本模型如圖1所示。[7]圖1坐標(biāo)系及求解區(qū)域[7]Fig.1Thecoordinatesystemandthecalculationfield連續(xù)方程為：?ρ?(ρu)?(ρv)?(ρw
8、)（1）+++=0?t?x?y?z動量守恒方程為：?(ρu)?()ρu0u?()ρuu?()ρvu?()ρwu???u????u????u??P（2）?+++=?μ?+??μ??+?μ??+S
