激光穿孔焊接过程热流场数值模拟

吴家洲,张 华,张奇奇,罗兵兵

(南昌大学 江西省机器人与焊接自动化重点实验室,江西 南昌 330031)

1 引 言

激光穿孔连续焊接是一种常用的激光焊接方式,在工业生产中有着广泛的应用[1],小孔的形成与穿孔过程影响激光能量向工件的传输,最终决定了焊接质量。液态金属在光束的持续作用下产生蒸发效应,反冲压力、气液界面表面张力和液体静压力共同作用生成小孔,反冲压力是小孔向下的“挖掘力”,同时,小孔深度增加使得光束在小孔壁面发生多重反射,提高了壁面对激光能量的吸收；液态金属蒸发时由于蒸发潜热影响需要吸收小孔壁面能量,其从液相转变成气相加速了小孔生成；金属蒸汽在激光作用下生成光致等离子体,等离子体对激光的逆韧至吸收减少小孔壁面菲涅尔吸收,过量等离子体甚至会阻隔激光传输并使光束发生散射,进一步降低了工件对激光能量的吸收。显然,激光焊接是一个复杂的传热传质过程,等离子体、小孔和熔池行为对焊接质量有重要影响。国内外学者采用仿真分析的方法对此作了许多研究。Jung-Ho Cho等[2]和Pang Shengyong等[3]依据光束传播特点建立光线追踪的热源模型,考虑了蒸发效应所带来的传热与传质,研究了小孔和熔池的耦合行为及其对焊接质量的影响,获得了合理的小孔和熔池形状,但一般限于盲孔；Zhao Haiyan等[4]和R Rai等[5]采用高斯热源密度方法作为热源模型,分析了小孔和熔池的热流场行为,Zhao Haiyan等[4]还研究了焊接过程中“气孔”产生的机理,但也基本上限于盲孔焊接。……