大功率激光作用下小孔形成数值模拟

激光深熔焊以小孔效应为特征,小孔使得激光束流与被焊接材料之间的耦合效率大大提高。小孔内的逆轫致吸收使得激光能量逐步衰减。另一方面,小孔内等离子体向熔池传热,起到焊接内热源的作用。因此,利用建立组合体热源模型,选择旋转高斯热源和双椭球形体热源模拟激光能量的分布,结合SIMPLE算法,求解不可压缩流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,得到了大Péclet数下的小孔形态。模拟结果显示,控制容积法中的体热源传热方式不同于有限元法的表面热流密度分布方式。最后,将模拟结果和钛合金激光焊接的焊缝形状和尺寸进行了对比,说明所选择的体热源模型在激光深熔焊模拟中具有较好的适应性。     

激光穿孔焊接过程热流场数值模拟

采用随小孔形状实时变化的自适应热源,建立了三维光纤激光穿孔焊接过程的数值分析模型。激光热源加载在时变的气/液界面,考虑气相和液相转变过程中存在的传热与传质现象,利用焓-孔介质法处理焊接过程中动量损耗及相变潜热问题。小孔壁面计算主要考虑反冲压力和表面张力,求解VOF方程获得气/液界面。结果表明,焊接过程中可能产生飞溅、焊瘤和余高,小孔前部的金属液体沿着小孔回流至小孔尾部形成焊缝,小孔后部熔池左右两侧可能产生涡旋现象,光致等离子体产生时间极短,穿孔前等离子体最大速度快速增加到102.95 m/s左右,穿孔后速度值下降至80 m/s左右,仿真分析为实际焊接过程提供理论依据。     

双透明材料激光透射焊接温度场的数值模拟

近年来,透明材料的激光透射焊接成为国内外研究的热点.本研究通过在透明材料界面制备低熔点薄膜来增大透明材料对激光的吸收率,从而实现双透明材料的激光焊接.本文构建了一个3D数值模型,数值模拟结果与实验测试吻合较好.另外,还研究了激光焊接过程中温度场的变化过程,并对进一步研究了激光焊接工艺参数对温度场的影响.     

激光深熔焊接过程中小孔效应的试验研究

采用高速摄影方法,清晰地观测了激光深熔焊接玻璃过程中的小孔形状,并对离焦量,焊接速度,激光功率等工艺参数对小孔形状的影响以及保护气体对小孔稳定性的影响进行了试验研究。     

低碳钢激光焊接温度场模拟

依据有限元思想,利用SYSWELD商业专用软件,以低碳钢为例,同时考虑了相变潜热与温度的关系,采用了带锥形的高斯三维移动热源对激光焊接过程温度场进行动态模拟.通过对温度场模拟结果的分析,表明考虑了相变潜热、同时采用带锥形的三维高斯热源所建立的模型能够准确的反映激光焊接的主要特点.小孔效应、高能量密度、窄的热影响区等特征在模拟结果中得到验证,为进行焊接应力场的模拟提供了依据.     

激光深熔焊细长小孔数值模拟与试验研究

为了准确模拟焊接过程中小孔的瞬态形成过程,采用水平集法追踪小孔气/液界面,运用混合理论处理固/液相变,建立了气、液、固三相耦合模型。该模型综合考虑了表面张力、浮力、反冲压力、固/液间摩擦力、潜热、对流以及辐射等影响因素,数值计算得到小孔演变的动态过程和孔内外金属蒸汽行为。模拟发现,小孔形貌瞬态变化,前后壁凹凸变形,逐渐趋于稳定,孔径约为1mm;金属蒸汽与小孔相互影响,最大蒸汽速率为5.3m/s。采用改进的"三明治"方法进行激光焊接实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。结果表明,水平集法追踪小孔自由界面在激光深熔焊模拟中具有良好的适用性。这为小孔的研究提供了理论依据。     

激光深熔焊接过程中小孔行为的研究进展

从试验研究和数值模拟研究两个方面介绍了激光深熔焊接过程中小孔行为的国内外研究现状。x射线透射成像和高速摄影相结合的方法迄今为止仍然是研究激光深熔焊接过程中小孔行为最有效的方法。多激光束焊接、复合激光焊以及辅助气流等方法被用于改善激光焊接过程中小孔的稳定性。目前具有代表性的动态小孔模型有三类,分别是认为激光焊小孔形成机理与激光打孔相同的动态小孔模型,基于流体体积法（VOF）的动态小孔模型和基于等值面法（Level Set的动态小孔模型。对三类模型进行了比较分析,并指出基于高精度运动界面追踪方法来追踪汽／液界面的动态小孔模型将是今后发展的趋势。     

激光熔池三维非稳态对流传热过程的数值模拟

建立了带有移动热源的激光熔池流体流动及传热过程三维非稳态数学模型。采用自适应网格技术离散求解动量方程，计算出了不同时刻激光熔池温度分布和速度分布。结果表明，激光熔池对流传热非稳态过程是一个预热过程，随着时间的推移，熔池最高温度不断升高，熔深和熔池半径不断增大。非稳态过程按时间先后次序分为3个阶段，初始阶段（加热熔化阶段）、准稳态阶段和快速升温阶段。准稳态阶段熔池形貌、温度分布和速度分布增加幅度不大，且持续时间比另两个阶段长，说明三维准稳态模型是三维非稳态模型的较好近似。计算结果与巳有的实验结果相比大体吻合。     

钢/铝异种金属光纤激光焊接数值模拟

为了研究钢/铝异种金属激光深熔焊接的温度分布情况,采用有限元ANSYS软件建立了钢/铝异种金属激光对接焊的数学模型,对焊接温度场进行了模拟。通过计算模拟得到了不同时刻的温度场分布云图、试件表面节点的热循环曲线以及焊接速率对温度场变化的影响,并与实际焊接试验结果进行了对比。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢一侧的温度梯度大于铝合金一侧的温度梯度;随着焊接速率的增大,热源中心的最高温度会逐渐降低,焊接熔池的熔宽也会随之逐渐变小。模拟的焊缝形状与实际焊接实验得到的焊缝截面的熔合线基本一致,熔池熔宽的模拟结果与实验结果误差在5%以内,验证了模拟结果的准确性。     

应用ABAQUS模拟激光焊接温度场

为了减小焊接变形,优化焊接工艺,需要准确预测激光焊接过程中温度场的分布情况,使用有限元模拟来预测温度场的分布是一种较好的方法.通过分析和总结激光焊接过程有限元模拟和理论分析的研究现状,以平板的焊接为例,建立了物理模型,并利用ABAQUS进行了激光焊接三维温度场的有限元模拟,讨论了模型的网格划分、边界条件及其模拟结果的后处理.模拟结果可以给出试件上任意一点任意时刻的温度情况,在激光功率为2000W、焊接速度为20mm/s的参数下模拟焊接2mm厚的A3钢板.结果表明,最高温度为3100℃左右,距焊接中心横向mm处A点的最高温度为150℃左右,与相同参数条件下的实验结果基本一致,说明有限元模拟可以准确预测焊接过程的温度场分布情况.     

基于红外测温技术的焊接温度场数值仿真研究

焊接温度场数值模拟技术的出现,为焊接技术的深入发展创造了有力的条件,而这又有赖于温度测量技术作为试验验证手段.作为非接触测温的红外测温技术,能够真实地反映出焊件在焊接工艺中的温度随时间变化的热循环过程.本文针对低碳钢钨极氩弧焊接工艺,利用红外测温仪得到了多个测点的热循环曲线,以此来修正双椭圆分布热源模型参数,建立了该工艺的温度场有限元数值仿真模型,将有限元解同实验结果进行了比较,两者基本吻合,表明了该分析模型的有效性.     

小孔激光焊接熔池形状的实验和模拟分析

对低碳钢进行激光焊接后，发现焊缝熔深存在着３０Ｈｚ～４０Ｈｚ的低频振荡。同时在仅考虑小孔壁对激光的吸收和工件的热传导的条件下，利用这种简化后的能量平衡模型所得的熔池温度分布解析解对熔池形状进行模拟，模拟的熔池形状与实验结果基本吻合。     

小孔激光焊接熔池形状的实验和模拟分析

对低碳钢进行激光焊接后,发现焊缝熔深存在着30Hz～40Hz的低频振荡.同时在仅考虑小孔壁对激光的吸收和工件的热传导的条件下,利用这种简化后的能量平衡模型所得的熔池温度分布解析解对熔池形状进行模拟,模拟的熔池形状与实验结果基本吻合.     

激光深熔焊接小孔效应的传热性研究

激光焊接由于其焊缝深宽比高、热影响区小以及高的焊接速度而在工业上得到越来越广泛的应用。激光深熔焊接的本质特征就是存在着小孔效应。采用高速摄影的方法清晰、完整地观测了激光深熔焊接GG17玻璃时的小孔，实验研究了离焦量、焊接速度对小孔和熔池形状、尺寸的影响。在分层假设的基础上建立了激光深熔焊接小孔效应的传热模型，并根据观测到的小孔形状和尺寸，用有限元法计算了小孔周围的温度场和流场。实验与模拟计算结果表明，小孔前沿的温度梯度比后沿的大；焊接熔池中的最大对流速度达到了焊接速度的10倍左右；小孔形状和尺寸的实验观测为系统研究激光深熔焊接时的小孔效应提供了一种新的方法。     

激光深熔焊接小孔效应的理论和试验研究

本文采用理论和试验相结合的方法系统研究了激光深熔焊接GG17玻璃时的小孔效应。首先采用高速摄影的方法清晰、完整地观测到了激光深熔焊接GG17玻璃时小孔的形状,并通过实验研究了聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度等焊接工艺参数对小孔尺寸和形状的影响。然后,论文根据实验得到的小孔形状,通过曲线拟合的方法得到小孔前后沿孔壁的曲线方程,再按照几何光学原理,分析了激光在小孔孔壁上的多次反射吸收情况,并由此计算出了小孔孔壁通过多次反射吸收的激光功率密度分布情况。最后,建立了一个分层圆柱体面热源传热模型,在综合考虑热传导和熔池对流换热的基础上,计算了小孔周围的温度场和流场,求出了小孔孔壁上的热流密度分布,并与小孔孔壁吸收的激光功率密度进行了比较。     

激光熔覆过程温度场的数值模拟

为描述预置粉Nd:YAG激光熔覆过程中温度场的变化规律,建立了三维预置粉激光熔覆物理模型,通过自行编程,利用三维表格施加高斯激光热流密度载荷,实现载荷的空间分布与时间移动,在ANSYS软件中模拟计算了预置粉Nd:YAG激光熔覆过程温度场.模拟结果表明光斑中心处温度最高,为2.8×10 3℃,并以光斑为中心逐层降低,等温线近似椭圆形,椭圆中心位于光斑后方.光斑点的升温变化率、降温变化率、热梯度分别为7×10 3℃/s、5×10 3℃/s、2×10 6W/(m2·s).这些结果数据为激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

基于ABAQUS的MAG焊接温度场数值模拟与热循环分析

为了控制MAG焊接的生产成本,给MAG焊接过程提供精确的技术支持,文中采用有限元软件来模拟计算焊接的过程。基于ABAQUS有限元分析软件,对8 mm厚Q235的MAG温度场进行了数值模拟计算,模拟焊接热源的加载过程,并对各阶段的温度场以及垂直和平行于焊缝附近各点的焊接热循环规律进行了分析。通过模拟计算焊接板材的热学性能可知,温度场呈现为稳态特征,焊接热循环稳定,远离焊缝距离的峰值温度出现时间略有延迟,且温度下降梯度随之减小,数值模拟结果与焊接温度场的实际变化情况吻合良好。     

激光深熔焊过程中保护区特征尺寸的数值模拟

小孔效应和小孔的周期性波动是激光深熔焊过程的重要特点。小孔的波动起伏与小孔内气流压力的不断变化密切相关。这一观点通过分析小孔喷发烟流(Plume)高速摄影图像得到了证实。在测定了小孔喷发烟流的速度后,利用流体力学商用软件FLUENT建立了由保护气体、小孔喷发烟流和空气组成的组分模型,模拟了组分气流的质量分数和流场。实验结果表明,小孔喷发烟流的速度并不是一个恒定值,其数值依气流粒子团和小孔出口位置的不同而不同。在小孔喷出气流速度一定的情况下,研究了侧吹气流的流量和输送角度与影响保护区特征尺寸之间的相互关系,给出了氩气保护区和氦气特征保护区随侧吹气流参数改变的变化规律。从组分气流模拟结果看,焊接区组分以辅助气流为主,但其组分质量分数低于0.9。     

呼吸式玻璃幕墙传热过程数值模拟

基于界面能量平衡的辐射原理,建立了可呼吸式玻璃幕墙三维数学模型,耦合求解了黏性不可压缩流体和固体内热传导及部件间热辐射传热过程。在华北地区典型气象条件下,对呼吸式玻璃幕墙的夏季隔热和冬季的保温防结露及通风换气特性给予了分析。所得结论将有利于推进现代生态型美学建筑的发展。