CN107480360B - 光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光熔蚀和焊接过程中的激光光束传播路径、激光光束相界面的反（折）射和激光光束能量吸收的计算方法。通过UDF对通用计算流体力学程序Fluent进行二次开发，使其能够：1)计算激光熔蚀和焊接过程中激光的传播路径；2)根据激光传播路线上的材料属性自动计算光线反射和折射的界面；3)通过光束的细分使焊接过程中能够考虑漫反射现象，包括在熔池中的漫反射；4）根据激光传播路线的材料属性自动计算能源的吸收率；5)利用流体动力学方程的能量源项，实现激光焊接过程中激光加热的模拟。本发明用于计算激光熔蚀和焊接过程中光束的传播路径和吸收能量率，可以考虑光束在任意组分的材料中吸收、折射、反射和漫反射过程。该方法和通用计算流体力学软件fluent结合，是激光熔蚀和焊接机理研究的有效方法。

Description

光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法

技术领域

本发明涉及激光烧熔和焊接领域，是涉及一种基于光束细分和相界面反射的分析激光烧熔过程中激光能量吸收和激光漫反射的数值计算方法。

背景技术

激光打孔和焊接是现代工业中重要的加工方法。激光打孔和焊接过程中的物理现象复杂存在金属固、液、气相之间的相互转化，存在液、气相的流动，存在空气(保护气)和金属固、液、气相之间相互拖曳和传热，存在气相喷射和反冲压，存在飞溅的金属液和气相的再冷却和结瘤。这些都对激光打孔和焊接质量带来不确定影响，因此研究激光加热条件下金属和其固液气流动过程和流动机理有着重要的意义。然而，传统的面热源模型、体热源模型和激光焊接熔池流动理论难以全面解释焊接过程中各种复杂的物理现象，不能反映激光的入射和漫反射行为，不能用于研究激光加热过程中匙孔的形成过程，更不能用于激光加热过程中的流动机理进行讨论。

发明内容

本发明目的在于克服现有的技术不足，通过本发明提供的一种激光光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法，可以计算出激光烧熔过程中的吸收能量、光线漫反射的路径，进一步实现激光加工过程中熔池形成机理和熔池流动过程的模拟，为科研工作者研究激光加工激励研究提供方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法，包括如下步骤：

1)建立待激光打孔和焊接的工件和工件周围环境的计算流体力动学模型，将金属蒸汽、金属熔池、金属基材和辅助气所在的位置用离散的单元表示；

2)设置激光束的强度、光斑面积、发射位置和发射方向；

3)在光束发射位置，将光斑按照面积分成若干个小面；根据光线直线传播、折射和反射定律，分别计算通过各个小面的光线的传播路径；

3-1)在同一种介质中光线沿直线传播；

3-2)在光线的直线传播路径上寻找若干个材料和相突然变化的单元，以这些单元的形心坐标拟合曲面，作为材料和相变化的反射或折射界面；

3-3)在材料和相变化的反射或折射界面处，根据拟合的界面的法线、光线的入射角和界面两边单元的材料属性，按照菲涅耳定律计算光线的折射反射点、反射方向、折射方向以及折射方向和反射方向的能量分配的比例关系；

4)从激光发射位置开始，计算每一个细分小面的面积与通过该小面的激光强度乘积，作为通过该小面细分激光线的初始能量E₀；

5)对于每一根细分的激光线，在其光线的传播路径上，从发射位置开始，逐个单元的计算激光进入单元的能量E_in和离开单元的能量E_out，将这个能量差q＝E_in-E_out作为该单元吸收的能量，加载到单元能量方程的热源项上，以表征该单元对激光能量的吸收；

单元吸收的能量有两种情况：一种是激光直线传播过程中单元吸收，一种是在折射和反射点的吸收，分别用下式计算：

5-1)当激光直线传播，穿过同种介质时，进入某一单元时的激光能量E_in和

离开单元时的激光能量E_out遵循朗伯定律：

式中，K_pl为逆韧致吸收系数，s表示激光在该单元内直线传播的距离；

则该单元吸收的能量为

5-2)当激光在折射和反射点的吸收时，折射和反射点所在的单元吸收的能量

遵循菲涅耳定律：

q＝E_in(I·n)α (2)

其中，

其中，I为激光入射方向单位矢量，α为菲涅耳吸收系数，n为激光折射和反射点的材料和相界面的单位法向量，

为激光入射方向与界面法向n的夹角，ε为材料常数，离开单元的激光能量E_out为：

E_out(r,z)＝E_in(I·n)(1-α) (4)

6)计算出所有细分的激光线对激光熔蚀和熔覆的计算流体动力学模型中所有单元的加热能量，将其加入计算流体动力学模型对应的各单元的能量中，就得到某一时刻计算流体动力学模型中所有单元对激光能量的吸收量。

本发明基于光束细分方法和相界面漫反射方法，提供了一种激光烧熔过程中激光能量吸收和传播路径的数值计算方法，通过UDF对计算流体力学程序进行二次开发实现了该方法，解决了激光焊接模拟中的能量吸收、光线传播和光束在匙孔的漫反射的计算问题，具有重要的实用价值。可以用于激光焊接匙孔动态形成过程等激励研究，为设计和优化焊接工艺参数提供依据。

附图说明

图1激光加热过程原理图。

图2离散的多相流体动力学模型和激光束反射和吸收过程示意图。

图3寻找材料和相变化的反射折射界面示意图。

图4多相流体动力学模型和单元对激光反射和吸收结果示意图。

图5激光路径上的能量吸收计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体事例进一步说明本发明的技术方案。

本发明以激光熔蚀和熔覆工艺过程为对象，基于用户子程序UDF对fluent软件的二次开发，建立了激光熔蚀和熔覆的计算流体动力学模型，以描述激光、金属蒸汽、金属熔池、金属基材和辅助气之间相互作用。改变现有方法中的简单高斯热源模型，将激光束细分为若干根独立的光线，开发用户子程序UDF分别计算每一根光线的传播、折射、反射和计算流体动力学模型中各单元对激光能量的吸收量，以考虑激光对工件和工件环境的加热作用。具体应用时涉及的物理模型为激光焊接7075号铝合金。激光器选用Nd：YAG激光器。光束直径为0.6mm，焦距为160mm，功率为1800W。工件厚3mm，宽8mm空气部分为8mm×6mm。激光束是从工件表面上方中心处45度射入，光线强度服从高斯分布。本方法的具体步骤如下：光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法，包括如下步骤：

1)建立待激光打孔和焊接的工件和工件周围环境的计算流体力动学模型，将金属蒸汽、金属熔池、金属基材和辅助气所在的位置用离散的单元表示(如图1所示)；(单元可以是任意形状，大小任意)

2)设置激光束的强度、光斑面积、发射位置和发射方向；

3)在光束发射位置，将光斑按照面积分成若干个小面(小面大小任意)；根据光线直线传播、折射和反射定律，分别计算通过各个小面的光线的传播路径；

3-1)在同一种介质中光线沿直线传播；

3-2)在光线的直线传播路径上寻找若干个材料和相突然变化的单元，以这些单元的形心坐标拟合曲面，作为材料和相变化的反射或折射界面；

3-3)在材料和相变化的反射或折射界面处，根据拟合的界面的法线、光线的入射角和界面两边单元的材料属性，按照菲涅耳定律计算光线的折射反射点、反射方向、折射方向以及折射方向和反射方向的能量分配的比例关系；

4)从激光发射位置开始，计算每一个细分小面的面积与通过该小面的激光强度乘积，作为通过该小面细分激光线的初始能量E₀；

5)对于每一根细分的激光线，在其光线的传播路径上，从发射位置开始，逐个单元的计算激光进入单元的能量E_in和离开单元的能量E_out，将这个能量差q＝E_in-E_out作为该单元吸收的能量，加载到单元能量方程的热源项上，以表征该单元对激光能量的吸收；

单元吸收的能量(进入单元和离开单元的激光能量差)有两种情况：一种是激光直线传播过程中单元吸收，一种是在折射和反射点的吸收，分别用下式计算：

5-1)当激光直线传播，穿过同种介质(半透明，透明)时，进入某一单元时

的激光能量E_in和离开单元时的激光能量E_out遵循朗伯定律(图5所示)：

式中，K_pl为逆韧致吸收系数，s表示激光在该单元内直线传播的距离；

则该单元吸收的能量为

5-2)当激光在折射和反射点的吸收时，折射和反射点所在的单元吸收的能量

遵循菲涅耳定律：

q＝E_in(I·n)α (2)

其中，

其中，I为激光入射方向单位矢量，α为菲涅耳吸收系数，n为激光折射和反射点的材料和相界面的单位法向量，

为激光入射方向与界面法向n的夹角，ε为材料常数，离开单元的激光能量E_out为：

E_out(r,z)＝E_in(I·n)(1-α) (4)

6)计算出所有细分的激光线对激光熔蚀和熔覆的计算流体动力学模型中所有单元的加热能量，将其加入计算流体动力学模型对应的各单元的能量中，就得到某一时刻计算流体动力学模型中所有单元对激光能量的吸收量；

7)计算下一时刻的各个单元温度、材料、材料的相、速度、压力参数；

8)更新计算时刻，并重复2)-7)的步骤，直至设定时间为止；得到所有时刻各个单元温度、材料、材料的相、速度、压力参数。

图1中上部为空气，下部为金属固体，中部为相界面。图2中，空气，金属固体、金属液体、金属蒸汽、金属液体和固体交界、金属蒸汽和空气交界均分成大小相同的单元，被细分的激光穿过空气到达金属蒸汽和空气交界或金属液体和固体交界处后被反射；图3中所示为寻找材料和相变化的反射折射界面的示意图。图4中可以看出在激光路径上有温度变化的网格吸收了能量。如图5所示为激光路径上的能量吸收计算方法示意图。

通过本发明的方法和程序的数值模拟，可以轻松的计算出激光焊接中的吸收的能量和激光传播路径，并且有一个直观的表达，这样就为研究人员提供了参考依据。

本发明所述方法有如下特点：1)能够计算激光熔蚀和焊接过程中激光的传播路径；2)可以根据激光传播路线上的材料属性自动计算光线反射和折射的界面；3)通过光束的细分使焊接过程中能够考虑漫反射现象(熔池中的漫反射)；4)可根据激光传播路线的材料属性自动计算能源的吸收率；5)利用流体动力学方程的能量源项，实现激光焊接过程中激光加热的模拟。本发明用于计算激光焊接过程中光束的传播路径和吸收能量率，可以考虑光束在任意组分的材料中吸收、折射、反射和漫反射过程。该方法和通用计算流体力学软件fluent结合，是激光熔蚀和焊接机理研究的有效方法。

以上是对本发明做了示例性的描述，应该说的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立待激光打孔和焊接的工件和工件周围环境的计算流体力动学模型，将金属蒸汽、金属熔池、金属基材和辅助气所在的位置用离散的单元表示；

2)设置激光束的强度、光斑面积、发射位置和发射方向；

3)在光束发射位置，将光斑按照面积分成若干个小面；根据光线直线传播、折射和反射定律，分别计算通过各个小面的光线的传播路径；

3-1)在同一种介质中光线沿直线传播；

3-2)在光线的直线传播路径上寻找若干个材料和相突然变化的单元，以这些单元的形心坐标拟合曲面，作为材料和相变化的反射或折射界面；

3-3)在材料和相变化的反射或折射界面处，根据拟合的界面的法线、光线的入射角和界面两边单元的材料属性，按照菲涅耳定律计算光线的折射反射点、反射方向、折射方向以及折射方向和反射方向的能量分配的比例关系；

4)从激光发射位置开始，计算每一个细分小面的面积与通过该小面的激光强度乘积，作为通过该小面细分激光线的初始能量E₀；

5)对于每一根细分的激光线，在其光线的传播路径上，从发射位置开始，逐个单元的计算激光进入单元的能量E_in和离开单元的能量E_out，将这个能量差q＝E_in-E_out作为该单元吸收的能量，加载到单元能量方程的热源项上，以表征该单元对激光能量的吸收；

单元吸收的能量有两种情况：一种是激光直线传播过程中单元吸收，一种是在折射和反射点的吸收，分别用下式计算：

5-1)当激光直线传播，穿过同种介质时，进入某一单元时的激光能量E_in和离开单元时的激光能量E_out遵循朗伯定律：

式中，K_pl为逆韧致吸收系数，s表示激光在该单元内直线传播的距离；

则该单元吸收的能量为

5-2)当激光在折射和反射点的吸收时，折射和反射点所在的单元吸收的能量遵循菲涅耳定律：

q＝E_in(I·n)α (2)

其中，

其中，I为激光入射方向单位矢量，α为菲涅耳吸收系数，n为激光折射和反射点的材料和相界面的单位法向量，

为激光入射方向与界面法向n的夹角，ε为材料常数，离开单元的激光能量E_out为：

E_out(r,z)＝E_in(I·n)(1-α) (4)

6)计算出所有细分的激光线对激光熔蚀和熔覆的计算流体动力学模型中所有单元的加热能量，将其加入计算流体动力学模型对应的各单元的能量中，就得到某一时刻计算流体动力学模型中所有单元对激光能量的吸收量。

2.如权利要求1所述的光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法，其特征在于，还包括以下步骤：

7)计算下一时刻的各个单元温度、材料、材料的相、速度、压力参数；

8)更新计算时刻，并重复2)-7)的步骤，直至设定时间为止；得到所有时刻各个单元温度、材料、材料的相、速度、压力参数。

3.如权利要求1或2所述的光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法，其特征在于，模型建立和计算均采用fluent软件完成。

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