摘要：华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员综述报道了摆动激光焊接的数值模拟研究进展。相关论文以“Numerical simulations of oscillating laser welding: A review”为题发表在《Journal of Manuf

长三角G60激光联盟导读

华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员综述报道了摆动激光焊接的数值模拟研究进展。相关论文以“Numerical simulations of oscillating laser welding: A review”为题发表在《Journal of Manufacturing Processes》上。

摆动激光焊接由于在抑制焊接缺陷、改善微观组织以及提升性能方面具有优势，已成为现代焊接研究的前沿领域之一。数值分析在加深对这一焊接过程的理解方面发挥了重要作用。为了阐明摆动激光/激光-电弧复合焊接数值模拟的研究进展，本文对当前的相关研究进行了综述。比较了模型建立、热源模式、边界条件设置以及参数选择等方面的内容。总结了温度场和流场的计算特征。阐述了对诸如焊缝形貌、缺陷形成以及凝固行为等焊接现象的解释。最后，对未来的研究提出了一些建议。

关键词：激光焊接；数值模拟；光束摆动；多物理场

图1.摆动激光焊接数值模拟的发展历程。

图2.（a）双椭球热源模型；（b）高斯热源模型；（c）丁格斯（dingus）热源简化叠加图；（d）高斯热源横截面形貌；（e）丁格斯热源横截面形貌。

图3.常用的摆动模式及其对应的轨迹方程。

图4.多种材料模型及网格划分方法。

图5.菲涅尔反射吸收模型示意图。

图6.（a）正弦形（b）圆形摆动（c）无限摆动的能量分布规律。

图7.摆动模式对焊缝形貌的影响。

图8.（a）正弦摆动周期内的温度场和流场；（b）圆形摆动周期内的温度场和流场；（c）无限摆动幅度对温度场和流场的影响。

图9.（a）正弦摆动周期内的温度场和流场；（b）圆形摆动周期内的温度场和流场；（c）无限摆动幅度对温度场和流场的影响。

图10.（a）摆动速度对上下匙孔宽度变化幅度的影响；（b）摆动路径中锌蒸汽速度的变化规律。

图11.（a）匙孔坍塌瞬间匙孔内温度、流速和压力的变化 [87]；（b）正弦摆动激光焊接周期内熔池体积和匙孔深度的变化；（c）圆形摆动激光焊接中摆动幅度和频率对熔池流动和熔池形状的影响；（d）无限摆动激光焊接中摆动频率对熔池和匙孔的影响。

图12.（a）摆动幅度对镍（Ni）和铝（Al）元素偏析的影响；（b）圆形摆动激光焊接中等轴晶和柱状晶重熔过程示意图。

本文全面概述了摆动激光焊接的数值模拟模型，给出了温度场和流场的计算结果，并深入剖析了焊接背后的物理机制。数值建模的基本原则是在计算精度、时间成本和收敛性之间进行平衡考量。针对不同的材料和焊接方法，要对合适的物理及工艺参数做出有针对性的选择，并进行相应假设。

尽管现有的摆动激光焊接数值模拟主要集中在温度场和流场方面，但在应力场的模拟上仍存在显著不足，目前主要通过与实际焊缝形貌进行对比来评估其模拟精度。不同的摆动模式，如正弦形、圆形和无限形摆动，会导致温度场和流场的差异。圆形和无限形摆动以及高速摆动在实现更均匀的能量分布、复杂的熔池流动和稳定的匙孔方面具有优势。然而，这些优势是以牺牲熔深为代价的。因此，如何在确保熔深的同时获得更稳定的焊缝是未来的一个研究热点。新兴的摆动激光-电弧复合焊接技术提供了一个更有前景的解决方案，是一种更为全面的方法。摆动激光焊接数值模拟未来的工作应是加强对应力、传质结晶等物理机制的理解，而更具优势的摆动激光-电弧复合焊接在光热与物质的相互作用、熔池和匙孔的运动行为以及缺陷抑制机制等方面也将是未来的重点研究领域。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟