熔池传热与流动的非定常数值模拟 (2002年)

对受移动激光速间隙加热的工件中的非定常传热与熔体流动进行了数值模拟，对不同热源移动速度下熔池行为的模拟结果进行了比较，当激光束移动速度比较高时形成的熔池浅而短，而移动速度比较低时形成的熔池深而长。所得工件代表点上材料的温度随时间变化以及加热或冷却速率，可以进一步用于研究被焊工件中的热应力或组织结构变化。 ### 熔池传热与流动的非定常数值模拟 #### 概述 本文针对受移动激光束加热的工件中的非定常传热与熔体流动进行了深入的数值模拟研究。研究揭示了不同激光束移动速度下熔池的行为特征，并通过分析所得数据，进一步探讨了这些特征对工件热应力及组织结构变化的影响。 #### 关键知识点详解 ##### 1. 非定常传热与熔体流动的数值模拟 - **背景**:在激光焊接或材料表面处理工艺中，传热与熔池内的流动对熔池形状、材料的加热与冷却过程以及最终工件的应力分布与材料结构有着至关重要的影响。 - **难点**:实验方法难以精确地研究熔池内的流动、工件内部温度分布及其加热与冷却速率等问题。因此，采用数值模拟的方法成为了研究这些问题的有效手段。 - **目标**:本研究旨在通过数值模拟的方法，揭示激光加工过程中熔体流动与材料加热冷却的规律，从而更好地理解激光材料加工过程。 ##### 2. 计算模型 - **激光束参数**：假设激光束以一定速度U沿负x方向移动，激光束的功率密度为常数，形状为矩形（x向宽度a=0.6mm，z方向宽度远大于a）。 - **计算域**：选取工件中x向20mm、y向10mm的区域作为计算域。 - **基本假设**： - 忽略z向变化，即认为传热与流动为二维问题； - 假设金属熔体与固体的物理性质（如密度、粘度、热导率、比热等）为常数； - 熔池表面视为平面，不考虑表面变形效应。 - **控制方程**： - 连续性方程 - 动量方程 - 能量方程 - **源项处理**：采用特殊处理方式确保在固相区和液相区能够得到合理的速度场解。 ##### 3. 模拟结果与讨论 - **熔池形状**：随着激光束移动速度的增加，形成的熔池呈现出浅而短的趋势；相反，当激光束移动速度较低时，形成的熔池则更深更长。 - **温度变化**：通过模拟获得了工件中代表点上的材料温度随时间的变化情况，以及加热和冷却速率。这些数据对于研究焊接过程中产生的热应力以及材料组织结构的变化具有重要意义。 - **应用前景**：所得的结果不仅可以帮助研究人员更好地理解激光加工过程中的热物理现象，还可以为优化激光焊接参数提供理论依据，进而提高焊接质量和效率。 #### 结论 通过对受移动激光束加热的工件进行非定常传热与熔体流动的数值模拟，本研究成功地揭示了不同激光束移动速度下熔池的行为特征。这些结果对于深入理解激光材料加工过程中的热物理现象具有重要的科学价值，并为进一步优化激光焊接技术提供了有力的数据支持。未来的研究可以在此基础上探索更多复杂的物理现象，如考虑表面张力效应等，以进一步提升数值模拟的准确性和实用性。