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激光深熔焊具有能量密度高、焊接速度快、表面质量高等优点而广泛应用于汽车、造船、机械制造等各个工业领域。在激光深熔焊接过程中,材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融材料抛出,形成匙孔,匙孔壁面受到反冲压力和表面张力作用,同时气＼液、液＼固相之间发生相变,传输现象比较复杂。为了提高激光深熔焊缝性能,了解深熔焊接中匙孔形成动态过程、熔池中的传热与传质及温度场的分布,根据匙孔内激光的能量吸收机制,利用射线跟踪法产生热源,建立了激光深熔焊接过程中气、液、固三相统一的数学模型,采用了VOF方法追踪焊接熔池自由液面,模型中考虑了表面张力、热浮力、反冲压力与洛伦兹力(激光-MIG复合焊中)的作用,通过数值计算得到了匙孔、焊接熔池演变的动态过程与相应的温度分布,并且通过比较计算结果和实验数据验证了模型的正确性。
建立的数学模型包括脉冲激光深熔焊接过程数学模型、连续激光深熔焊接数学模型、激光-MIG复合深熔焊接数学模型,能够模拟激光深熔焊过程中熔池的流体流动、传热与传质等传输现象。研究内容包括:(1)激光焊接过程匙孔的形态及动态形成过程；(2)激光焊接过程熔池流体流动速度场；(3)激光焊接过程温度场与焊接熔池演变过程；(4)激光-MIG复合焊接过程熔池演变过程、温度场分布。
在计算焊接熔池的对流过程中,考虑了表面张力、反冲压力、浮力、洛伦兹力的影响,通过用户自定义函数UDF,采用C语言编程,编写传输方程所需的源项、边界条件、热物性参数及其它参数。对于液＼固相变采用固定网格的多孔介质技术来处理,气＼液界面采用VOF法追踪。使用控制容积法离散控制方程,采用SIMPL正算法,借助CFD商用软件FLUENT求解器,求解传输方程组。
首先,建立了基于光束跟踪的热源模型。激光深熔焊接过程中,匙孔内激光的能量吸收制包括两个过程:菲涅耳吸收和逆韧致吸收。菲涅耳吸收是匙孔壁面对激光的吸收机制,逆韧致吸收是激光诱导的等离子对激光束的能量吸收。根据激光在匙孔内传播的路径推导出了符合激光深熔焊接物理过程的热源模型。
其次,基于已建立的脉冲激光深熔焊接过程数学模型,研究了脉冲激光深熔焊过程中的匙孔形成过程、熔池变化过程以及温度场分布,同时研究了激光功率对匙孔几何尺寸的影响。结果表明,相同条件下,随着激光功率的增加,匙孔直径、匙孔深度随之增大。
再次,基于已建立的连续激光深熔焊接过程数学模型,研究了焊接速度为0.05m/s、0.1m/s时,连续激光深熔焊过程中匙孔形成过程、温度分布、熔池流场分布,同时计算了焊接速度为0.05m/s、0.1m/s时,连续激光热导焊接过程熔池形成过程及温度分布。通过连续激光深熔焊与热导焊的对比研究表明因反冲压力是匙孔形成的主要驱动力。研究了焊接速度对匙孔几何尺寸的影响,结果表明,相同条件下,随着焊接速度的增加,反冲压力产生的匙孔直径及匙孔深度则随之减小。
最后,基于已建立的激光-MIG复合深熔焊数学模型,研究了激光-MIG复合深熔焊中熔池形成过程及温度分布,对复合焊与深熔焊进行了比较。结果表明,复合焊比单一激光深熔焊焊缝宽且深。
通过工艺试验获得的焊缝横切面形状与计算模拟结果基本吻合,表明计算模型能够反映客观实际,为将来继续研究激光焊接传输现象打下坚实的基础。