激光焊接数值模拟基础热源汇总

转自：焊接人搞激光 激光智造应用LIMA

在激光焊接数值模拟中，热源模型是描述激光与材料相互作用时能量分布的关键因素。根据搜索结果，以下是一些常用的热源模型：

1. 高斯热源模型：这是一种广泛使用的热源模型，它假设热输入沿激光束的截面呈高斯分布。

1. 双椭球热源模型：这种模型考虑了激光束的深度和宽度，适用于模拟焊接过程中的热输入。

1. 旋转高斯体热源模型：这种模型通过在双椭球热源模型的基础上增加旋转运动，更好地模拟激光焊接中的“钉头”形状和熔池动态行为。

1. 锥形热源模型：适用于模拟焊接过程中的热传导和熔池形成，尤其是在全熔透焊接条件下。
2. 非线性高斯体热源模型：通过C语言编译UDF，建立以正弦函数为激光束移动路径的旋转高斯曲面体热源模型，实现了非线性路径激光焊接温度场和熔池流动的数值模拟。

1. 阶梯式热源模型：基于激光能量分布检测数据建立的热源模型，能够更准确地描述激光与材料相互作用时的实际能量分布。
2. 复合热源模型：结合了电弧的表面热源和熔滴的圆柱体热源，用于模拟特定焊接现象，如激光焊中的“钉头”状焊缝。
3. 动态焊接热源模型：考虑焊接过程的时变特点，进一步提高数值模拟焊接温度场的精度。

这些热源模型在激光焊接数值模拟中的应用，有助于更准确地预测焊接过程中的温度场、熔池形成和焊缝质量。在实际应用中，选择合适的热源模型对于模拟结果的准确性至关重要。

深入研究

激光焊接中的高斯热源模型通常适用于哪些情况？

高斯热源模型在激光焊接中适用于模拟激光束的热输入，特别是在焊接薄板材料时。这种模型假设激光的热影响呈高斯分布，即中心区域热输入最高，随着距离中心的增加而迅速减小。高斯热源模型适用于以下情况：

1. 薄板焊接：由于薄板的热传导性较高，热量集中在激光束的作用区域，高斯热源模型能够较好地描述这种局部加热的情况。
2. 精确控制熔池尺寸：高斯热源模型可以帮助预测和控制焊接过程中的熔池形状，包括熔池的宽度和深度，这对于需要精确焊接的应用尤为重要。
3. 简化的热输入模型：在不需要考虑复杂热传导机制的情况下，高斯热源模型提供了一个相对简单且计算效率较高的热输入近似，适合于初步设计和工艺参数的快速评估。
4. 热影响区（HAZ）的预测：由于高斯热源模型能够较好地模拟焊接热的空间分布，它也适用于预测焊接过程中材料的热影响区大小和特性。

综上所述，高斯热源模型因其能够有效描述激光焊接中的热输入特性，特别是在处理薄板和需要精确控制焊接质量的应用中，被广泛采用。

双椭球热源模型相比于高斯热源模型有哪些优势？

双椭球热源模型相比于高斯热源模型的优势主要体现在以下几个方面：

1. 更准确地描述焊接热输入：双椭球热源模型能够更好地模拟焊接过程中电弧的能量分布，特别是考虑到电弧运动时前后能量分布不均的情况。该模型包含两个不同的1/4椭球体，前半部分和后半部分的热流密度分布不同，这有助于更准确地模拟焊接过程中的热输入。
2. 能够模拟熔池的不对称现象：双椭球热源模型可以很好地体现出熔池的不对称现象，这是由于焊接过程中电弧的非对称性所导致的。而高斯热源模型通常假设热输入是对称的，这在实际焊接过程中可能不符合实际情况。
3. 适用于模拟具有深穿透的焊缝温度：双椭球热源模型在模拟具有深穿透的焊缝温度方面表现更优，这是因为它能够更准确地描述焊接热源的空间分布，从而提供更准确的温度场预测。
4. 在数值仿真中的优势：在进行数值仿真时，双椭球热源模型能够提供更接近实际的温度场和热影响区的分布，这对于焊接工艺的优化和预测焊接缺陷具有重要意义。

综上所述，双椭球热源模型在描述焊接热输入的空间分布、模拟熔池的不对称性以及在数值仿真中提供更准确结果方面，相比于高斯热源模型具有明显的优势。

旋转 Gaussian body heat source model如何改进了传统的高斯热源模型？

旋转Gaussian body热源模型是对传统高斯热源模型的改进，主要用于模拟高能束焊接过程中的热输入。与传统的高斯热源模型相比，旋转Gaussian body热源模型考虑了能量在深度方向上的分布，这对于模拟具有大深宽比的“钉头”状熔池（焊缝）形状尤为重要。新模型通过引入旋转Gaussian曲面体，能够更准确地描述高能束焊接时的热输入特性，特别是在考虑小孔效应和能量在工件深度方向上的吸收时。

这种改进允许数值模拟更接近实际焊接过程中的温度场分布，从而提高了模拟的准确性。在实际应用中，旋转Gaussian body热源模型已经被用于模拟SUS304不锈钢的深熔激光焊接过程，并取得了与实验结果基本吻合的数值模拟结果。此外，通过对比分析，新模型有助于深入了解不同热源模型的特点，从而在进行数值模拟时能够选择更合适的热源模型，以实现高效准确的模拟。