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用投影法热现象在单激光束和激光—电弧 复合焊接工艺造型 W. Piekarska , M. Kubiak Institute of Mechanics and Machine Design Foundations, Czestochowa University of Technology, Dabrowskiego 73, 42-200 Czestochowa, Poland 摘要： 本文涉及的随附单激光钢板激光和电弧复合焊对接热现象的数学的热数值 模拟。在熔合区耦合传热与流体流动是由瞬态热传导方程和纳维-斯托克方程分 别描述。激光束和电弧的热源使用不同热源功率分布建模。与材料的状态发生变 化，浮力和通过多孔介质的液体材料流相关联的潜热被考虑事项。微分控制方程 用投影法结合有限体积法进行了数值求解。详尽的求解算法实施用于焊接过程中 模拟传热和流体流动的计算机求解。焊缝和热影响区的几何结构以及冷却速率是 建立在数值获得的温度的基础上。 关键词：传热 流体流动 焊接模拟 投影方法 激光焊接 复合焊接 1、简介 激光束焊接已日益应用在许多行业中，主要是由于高焊接速度在这个过程中 【1-3】 使用时，接头的良好质量和小的热影响区 （HAZ ） 。但是，钢的激光焊接是 伴随着在传统的焊接方法没有发现的许多现象。热能的浓度导致局部材料蒸发。 此外，高的冷却速率在激光焊接有助于在即使在容易受到焊接，非合金和低合金 结构钢焊缝和热影响区出现的硬化结构。这些困难以及需要一个精确的配合式焊 [1] 接部分（尤其是当厚度大的组合元件）在某些情况下，限制了它的应用 。因 此，更好的方法仍然需要寻找。 [4-7] 在最近几年，特别着眼于激光电弧复合焊接 。激光-电弧复合焊接结合了 激光焊接与流行和知名电弧焊。在这个过程中深材料渗透通过电弧和激光束的合 [4] 作提供了良好的间隙填充在一个单一的方法实现 。激光束和电弧的组合允许创 建好品质的关节具有相比于在一个单个激光束焊接制成焊缝许多优点，甚至在更 [6] 高的焊接速度 。 关于伴随焊接工艺的热现象的认识是在估计应该正确地设置，以确保工艺的 [7-9] 稳定性的许多工艺参数和接头的最佳可能质量很有帮助 。伴随焊接工艺热现 象是很难甚至不可能通过实验研究来分析。此外，实验测定的适当的一组焊接工 [10-20] 艺参数是昂贵且耗时的。因此该研究还集中在数学建模和数值分析 ，其允许 选择的工艺参数的预测，可以在实践中使用。 使用激光束热源热现象在焊接过程建模需要一种新的方法，以理论和数值求 解技术，因为在不同的条件下的热分布收益相较于传统的焊接技术。在激光束焊 接的材料是由高浓度的热源加热到非常高的温度，即使在到达沸点[2,13,18,19]。具有 高功率密度的可动热源不同于经典焊接和加热的来源。在正式的造型方面非常重 要的是选择合适的热源形状和能量分布。新的数学模型描述了能量通量考虑到实 际情况正在不断地寻找分配[7,13,21,22]。 在计算模型考虑了熔融部的液体材料的流动允许与焊接池形成的动力学相 关的先前被忽视的现象的分析[11,16,18-20] 。物质流在熔池会影响计算焊接元件温度 分布，因此其在数值上估计形状和焊缝尺寸显著的影响。 本研究包含温度场与钢液中的焊接熔池中考虑单一的激光束和激光电弧复 合焊接工艺的运动的数学和数值建模。在熔合区耦合传热和流体流动分别由与对 流项和纳维斯托克斯方程瞬时热传递方程描述。模糊凝固前，假定在固-液区将 被视为一个多孔介质的计算。用固-液和液-气变换有关的潜热是考虑到在溶液中 的算法。微分控制方程使用投影方法与有限体积法数值求解。分析三维域采用交 错网格离散。上