本书以激光深熔焊接技术为核心,系统探讨其传输现象的数值模拟方法及实际应用。写作源于激光焊接技术的发展需求及现有研究中热源模型简化、多物理场耦合不足等问题,旨在通过高精度数值模拟优化工艺参数,提升焊接质量与效率。通过融合计算流体力学(CFD)、多相流理论、热力学与材料科学,本书构建了涵盖脉冲激光焊、连续激光焊及激光-MIG 复合焊的通用数值模拟框架,力求突破传统模型的局限性,为学术界与工业界提供一套科学、实用的分析工具。

本书特色在于创新性提出光束跟踪热源模型,融合多相流VOF 法与焓-孔隙率法,实现了匙孔动态演化与多物理场耦合的高精度模拟;同时结合激光-MIG 复合焊接的电-热-流多场协同机制,为复杂焊接工艺提供理论支撑。书中兼顾理论深度与工程实用性,通过数值模拟与实验对比,为激光焊接工艺优化及缺陷控制提供科学参考,具有较高的学术价值与应用潜力。

本书可作为高等学校材料科学与工程、焊接技术与工程、材料成型及控制工程等专业研究生的参考书或教材,也可作为从事激光加工、材料连接、数值仿真、焊接工程等领域的研究人员、工程师,以及汽车、航空航天、造船等行业的技术人员的参考书。

激光焊接技术自20 世纪60 年代诞生以来,凭借其高能量密度、高精度、低热影响区等显著优势,迅速成为现代制造业中不可或缺的先进加工工艺。从汽车工业到航空航天,从电子封装到船舶制造,激光焊接的应用场景不断拓展,技术需求日益复杂。然而,激光深熔焊接过程中涉及的多物理场耦合现象( 如匙孔动态行为、熔池流动、等离子体与材料的相互作用等)始终是制约其工艺优化与工业化推广的核心难题。传统实验研究受限于高昂的成本与复杂的观测条件,难以深入揭示其内在机理。在此背景下,数值模拟技术凭借其高效性、灵活性和预测能力,成为解析激光深熔焊接传输现象的重要工具。本书立足于这一技术前沿,以系统性建模与流体力学数值模拟仿真为核心,旨在为激光深熔焊接的机理研究、工艺优化与工程应用提供理论支撑与技术指导。

激光深熔焊接的物理过程极为复杂,涉及光、热、力、流体等多学科的深度耦合。尽管国内外学者在热源模型、匙孔稳定性、熔池动力学等领域取得了诸多成果,但现有研究仍存在显著不足:其一,多数模型简化了匙孔的三维动态特性,难以真实反映激光与材料的相互作用机制;其二,对等离子体逆韧致吸收、多重反射效应等关键能量传输过程的描述仍显粗放;其三,气、液、固三相统一的数学模型尚未完善,导致熔池流动与相变行为的模拟精度受限。这些瓶颈问题直接影响了焊接质量预测与工艺参数优化的可靠性。

本书的撰写基于著者多年在激光焊接领域的理论研究与积累,结合著者攻读北京工业大学博士学位期间的研究成果,依托大量实验数据,系统梳理了激光深熔焊接的物理过程与数学模型构建方法。通过融合计算流体力学(CFD)、多相流理论、热力学与材料科学,本书构建了涵盖脉冲激光焊、连续激光焊及激光-MIG 复合焊的通用数值模拟框架,力求突破传统模型的局限性,为学术界与工业界提供一套科学、实用的分析工具。

本书以“理论建模—算法开发—实验验证” 为主线,内容兼具深度与广度,主要特点如下:

1. 多学科深度交叉融合

突破单一焊接学科视角,融合光学、流体力学、热力学与电磁学,构建跨尺度多物理场耦合分析框架。系统性解析激光焊接中匙孔动态行为、熔池流动等多物理场耦合现象,为复杂工艺提供理论支撑。

2. 高精度动态建模创新

创新性提出“光束跟踪热源模型”:通过射线追踪法模拟激光在匙孔内的多重反射和能量吸收,显著提升能量分布模拟精度。融合VOF 法与焓-孔隙率法:实现气-液-固三相统一控制方程,精确追踪自由表面演化并计算相变潜热。采用FLUENT 二次开发:通过自定义源项、边界条件与物性函数,实现复杂传输现象的高保真模拟。突破传统模型的简化局限,动态还原匙孔形成、熔滴过渡等瞬态过程。

3. 实证导向的模拟验证

数值模拟与实验严格对标:以304 不锈钢、低碳钢为对象,结合CO2 激光器、光纤激光器等工业参数,通过试验验证模型可靠性。结合TECPLOT 后处理工具,将温度场、流场等抽象数据转化为直观图像,增强结果可解释性。为焊接缺陷控制(如气孔抑制)和工艺参数优化提供科学参考,凸显工程实用性。

本书的撰写旨在为激光深熔焊接的理论研究与工程应用搭建桥梁,通过数值模拟揭示其物理本质,并为工艺优化提供量化依据。随着智能制造的快速发展,激光焊接技术将面临更高效率、更复杂工况的挑战。未来,著者团队将继续深化多物理场耦合模型的研究,探索人工智能与数值模拟的融合路径,推动激光焊接从“ 经验驱动” 向“ 数据驱动” 的范式转变。

本书可作为高等学校材料科学与工程、焊接技术与工程、材料成型及控制工程等专业研究生的参考书或教材,也可作为从事激光加工、材料连接、数值仿真、焊接工程等领域的研究人员、工程师,以及汽车、航空航天、造船等行业的技术人员的参考书,助力中国高端装备制造技术的创新与突破。

本书出版得到了山西科技学院科研启动经费项目(2024019) 资助,并在撰写过程中参考了国内外的论著、应用成果和先进的研究技术,在此深表谢意。

由于著者水平有限,书中的疏漏及不妥之处在所难免,敬请广大读者批评指正。

汪任凭

2024 年12 月

第1 章  绪    论  1
1. 1  研究背景  1
1. 1. 1  激光焊接技术发展历程 1
1. 1. 2  激光深熔焊接物理过程 2
1. 1. 3  激光焊接技术应用现状 4
1. 2  传输现象数值模拟的研究现状  6
1. 2. 1  激光深熔焊接过程热源模型的研究现状 6
1. 2. 2  激光深熔焊接过程匙孔模型的研究现状 7
1. 2. 3  激光深熔焊接过程熔池动力学的研究现状 9
1. 3  现有研究中存在的问题  10
1. 4  研究目的及研究内容  11
第2 章  激光深熔焊接过程传输现象的数学模型  12
2. 1  引    言  12
2. 2  深熔焊接过程气、液、固三相统一的控制方程  13
2. 3  光束跟踪热源模型  15
2. 4  脉冲激光深熔焊接过程的数学模型  17
2. 4. 1  控制方程组  17
2. 4. 2  边界条件  18
2. 5  连续激光深熔焊接过程的数学模型  19
2. 5. 1  控制方程组  19
2. 5. 2  边界条件  21
2. 6  激光-MIG 复合焊接过程的数学模型  23
2. 6. 1  控制方程组  23
2. 6. 2  辅助方程  24
2. 6. 3  边界条件  24
2. 7  计算程序的数值解法  26
2. 7. 1  有限体积法  26
2. 7. 2  控制方程的积分  27
2. 7. 3  控制方程的离散  28
2. 7. 4  SIMPLE 算法  29
2. 7. 5  控制方程的解法与收敛标准  29
2. 7. 6  自由表面重构方法  29
2. 7. 7  程序的编制与计算流程  30
小  结  32
第3 章 脉冲激光深熔焊接过程传输现象的数值模拟  33
3. 1  引    言  33
3. 2  网格划分与计算参数  34
3. 3  计算结果与分析  35
3. 3. 1  匙孔的形成  35
3. 3. 2  光致等离子体与多重反射  38
3. 4  试验验证  39
3. 5  激光功率对匙孔几何尺寸的影响  40
小  结  43
第4 章  连续激光深熔焊接过程传输现象的数值模拟  44
4. 1  引    言  44
4. 2  网格划分与计算参数  45
4. 3  焊接速度为0. 05 m/ s 时的计算结果及试验验证  46
4. 3. 1  焊接速度为0. 05 m/ s 时的计算结果与分析 46
4. 3. 2  试验验证  49
4. 4  焊接速度为0. 1 m/ s 时的计算结果及试验验证 51
4. 4. 1  焊接速度为0. 1 m/ s 时的计算结果与分析  51
4. 4. 2  试验验证  54
4. 5  连续深熔焊与热导焊的比较  55
4. 6  焊接速度对匙孔的影响  57
小  结  58
第5 章  激光-MIG 复合焊接过程传输现象的数值模拟  60
5. 1  引    言  60
5. 2  数值模拟研究现状  63
5. 3  网格划分与计算参数  64
5. 4  计算结果与分析  66
5. 5  试验验证  69
5. 6  复合焊与激光深熔焊的比较  70
5. 7  激光功率对匙孔几何尺寸的影响  71
5. 8  电流密度对匙孔几何尺寸的影响  72
小  结  73
结  论  75
附录 A  76
参考文献  85

汪任凭，山西科技学院

本书以激光深熔焊接技术为核心,系统探讨其传输现象的数值模拟方法及实际应用。写作源于激光焊接技术的发展需求及现有研究中热源模型简化、多物理场耦合不足等问题,旨在通过高精度数值模拟优化工艺参数,提升焊接质量与效率。通过融合计算流体力学(CFD)、多相流理论、热力学与材料科学,本书构建了涵盖脉冲激光焊、连续激光焊及激光-MIG 复合焊的通用数值模拟框架,力求突破传统模型的局限性,为学术界与工业界提供一套科学、实用的分析工具。

本书特色在于创新性提出光束跟踪热源模型,融合多相流VOF 法与焓-孔隙率法,实现了匙孔动态演化与多物理场耦合的高精度模拟;同时结合激光-MIG 复合焊接的电-热-流多场协同机制,为复杂焊接工艺提供理论支撑。书中兼顾理论深度与工程实用性,通过数值模拟与实验对比,为激光焊接工艺优化及缺陷控制提供科学参考,具有较高的学术价值与应用潜力。