铝合金激光深熔焊熔池小孔演变行为数值模拟研究

高功率激光深熔焊接是目前工业应用当中最理想的先进技术。本文提出了一种三维数值模拟方法，考虑了作用在熔池小孔上的表面张力、反冲压力，利用VOF追踪气液界面，利用焓–孔隙度法解决焊接过程中熔化凝固问题，考虑了热对流、热辐射、小孔自由表面的多重吸收等传热过程，采用随小孔深度变化的旋转高斯体热源来简化焊接的过程。分析了熔池小孔的演变过程以及工艺参数对小孔形貌的影响，结果表明：熔池小孔的形貌变化是反冲压力作用的结果；焊接速度对熔池小孔的深度影响不大，焊接功率越大，熔池小孔的深度越深。

激光焊接作为一种新型的焊接技术，具有焊接速度快、焊缝深宽比大、变形小，能量密度高，同时也具有非常高的定位精度，焊接接头性能好等优点[1]，已被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、铁路、能源等重要的工业生产领域当中[2]。在焊接过程中，熔池小孔的瞬态行为对焊接质量有着很大的影响， 所以对熔池小孔的演变行为进行数值模拟研究是必不可少的。

Yue [3]等人提出了一种三维数值模拟方法， 用于模拟研究小孔的轮廓特征以及小孔的演变对熔池的流动影响，该模型考虑了小孔自由表面、熔池表面和固–液–汽三相转变。Wang [4]等人建立了小孔、反冲压力、熔池的相互耦合的三维模型，采用旋转激光的方法，模拟研究了小孔和熔池流动的动态行为特征。Zhang [5]等人将流体体积法与射线追踪法相结合，模拟研究了激光全熔透焊接过程中小孔和熔池的动态耦合，研究结果表明，在全熔透焊接中， 小孔熔池的瞬态演化具有周期性特征。邓集权[6]采用了Level Set 方法追踪气液界面，混合模型处理固液界面，考虑了小孔内部多重的反射吸收、表面张力、反冲压力的影响，研究了小孔和熔池的动态形貌， 以及熔池的温度场。冯燕柱[7]采用FLOW 3D 流体仿真软件，对不同的激光入射角下，模拟研究了激光焊接在不同的熔透状态下小孔熔池的动态耦合行为，结果表明，激光入射角为正时，对熔池小孔的稳定性有很大的提高。吴家洲[8]建立了随小孔形状变化的自适应热源模型，考虑了反冲压力、表面张力、浮力对熔池小孔的影响，模拟研究了小孔和熔池的演变过程以及熔池的流动。Aparna [9]等人建立了三维瞬态传热数值模型，该模型考虑了表面张力、Marangoni 驱动力对熔池的影响。

2. 模型建立 激光深熔焊接的物理过程十分复杂，当高能量的激光密度照射在金属材料表面时，材料迅速熔化， 熔化后的金属迅速汽化产生金属蒸气，在金属蒸气蒸发的反冲压力作用下，材料表面形成一个向下的小孔。为了便于计算，从而对模型做出以下假设： 1) 该工件材料均匀且各向同性。

2) 固–液相变时材料的密度不发生变化。