激光焊接數值模擬基礎熱源匯總

轉自：焊接人搞激光 激光智造應用LIMA

在激光焊接數值模擬中，熱源模型是描述激光與材料相互作用時能量分佈的關鍵因素。根據搜索結果，以下是一些常用的熱源模型：

1. 高斯熱源模型：這是一種廣泛使用的熱源模型，它假設熱輸入沿激光束的截面呈高斯分佈。

1. 雙橢球熱源模型：這種模型考慮了激光束的深度和寬度，適用於模擬焊接過程中的熱輸入。

1. 旋轉高斯體熱源模型：這種模型通過在雙橢球熱源模型的基礎上增加旋轉運動，更好地模擬激光焊接中的「釘頭」形狀和熔池動態行為。

1. 錐形熱源模型：適用於模擬焊接過程中的熱傳導和熔池形成，尤其是在全熔透焊接條件下。
2. 非線性高斯體熱源模型：通過C語言編譯UDF，建立以正弦函數為激光束移動路徑的旋轉高斯曲面體熱源模型，實現了非線性路徑激光焊接溫度場和熔池流動的數值模擬。

1. 階梯式熱源模型：基於激光能量分佈檢測數據建立的熱源模型，能夠更準確地描述激光與材料相互作用時的實際能量分佈。
2. 複合熱源模型：結合了電弧的表面熱源和熔滴的圓柱體熱源，用於模擬特定焊接現象，如激光焊中的「釘頭」狀焊縫。
3. 動態焊接熱源模型：考慮焊接過程的時變特點，進一步提高數值模擬焊接溫度場的精度。

這些熱源模型在激光焊接數值模擬中的應用，有助於更準確地預測焊接過程中的溫度場、熔池形成和焊縫質量。在實際應用中，選擇合適的熱源模型對於模擬結果的準確性至關重要。

深入研究

激光焊接中的高斯熱源模型通常適用於哪些情況？

高斯熱源模型在激光焊接中適用於模擬激光束的熱輸入，特別是在焊接薄板材料時。這種模型假設激光的熱影響呈高斯分佈，即中心區域熱輸入最高，隨着距離中心的增加而迅速減小。高斯熱源模型適用於以下情況：

1. 薄板焊接：由於薄板的熱傳導性較高，熱量集中在激光束的作用區域，高斯熱源模型能夠較好地描述這種局部加熱的情況。
2. 精確控制熔池尺寸：高斯熱源模型可以幫助預測和控制焊接過程中的熔池形狀，包括熔池的寬度和深度，這對於需要精確焊接的應用尤為重要。
3. 簡化的熱輸入模型：在不需要考慮複雜熱傳導機制的情況下，高斯熱源模型提供了一個相對簡單且計算效率較高的熱輸入近似，適合於初步設計和工藝參數的快速評估。
4. 熱影響區（HAZ）的預測：由於高斯熱源模型能夠較好地模擬焊接熱的空間分佈，它也適用於預測焊接過程中材料的熱影響區大小和特性。

綜上所述，高斯熱源模型因其能夠有效描述激光焊接中的熱輸入特性，特別是在處理薄板和需要精確控制焊接質量的應用中，被廣泛採用。

雙橢球熱源模型相比於高斯熱源模型有哪些優勢？

雙橢球熱源模型相比於高斯熱源模型的優勢主要體現在以下幾個方面：

1. 更準確地描述焊接熱輸入：雙橢球熱源模型能夠更好地模擬焊接過程中電弧的能量分佈，特別是考慮到電弧運動時前後能量分佈不均的情況。該模型包含兩個不同的1/4橢球體，前半部分和後半部分的熱流密度分佈不同，這有助於更準確地模擬焊接過程中的熱輸入。
2. 能夠模擬熔池的不對稱現象：雙橢球熱源模型可以很好地體現出熔池的不對稱現象，這是由於焊接過程中電弧的非對稱性所導致的。而高斯熱源模型通常假設熱輸入是對稱的，這在實際焊接過程中可能不符合實際情況。
3. 適用於模擬具有深穿透的焊縫溫度：雙橢球熱源模型在模擬具有深穿透的焊縫溫度方面表現更優，這是因為它能夠更準確地描述焊接熱源的空間分佈，從而提供更準確的溫度場預測。
4. 在數值仿真中的優勢：在進行數值仿真時，雙橢球熱源模型能夠提供更接近實際的溫度場和熱影響區的分佈，這對於焊接工藝的優化和預測焊接缺陷具有重要意義。

綜上所述，雙橢球熱源模型在描述焊接熱輸入的空間分佈、模擬熔池的不對稱性以及在數值仿真中提供更準確結果方面，相比於高斯熱源模型具有明顯的優勢。

旋轉 Gaussian body heat source model如何改進了傳統的高斯熱源模型？

旋轉Gaussian body熱源模型是對傳統高斯熱源模型的改進，主要用於模擬高能束焊接過程中的熱輸入。與傳統的高斯熱源模型相比，旋轉Gaussian body熱源模型考慮了能量在深度方向上的分佈，這對於模擬具有大深寬比的「釘頭」狀熔池（焊縫）形狀尤為重要。新模型通過引入旋轉Gaussian曲面體，能夠更準確地描述高能束焊接時的熱輸入特性，特別是在考慮小孔效應和能量在工件深度方向上的吸收時。

這種改進允許數值模擬更接近實際焊接過程中的溫度場分佈，從而提高了模擬的準確性。在實際應用中，旋轉Gaussian body熱源模型已經被用於模擬SUS304不鏽鋼的深熔激光焊接過程，並取得了與實驗結果基本吻合的數值模擬結果。此外，通過對比分析，新模型有助於深入了解不同熱源模型的特點，從而在進行數值模擬時能夠選擇更合適的熱源模型，以實現高效準確的模擬。