[发明专利]光束细分和相界面漫反射的激光烧熔的数值计算方法

摘要

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。

主权项

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Ein和离开单元的能量Eout，将这个能量差q＝Ein‑Eout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Ein和离开单元时的激光能量Eout遵循朗伯定律：Eout=Einexp(-∫0sKplds)---(1)]]>式中，Kpl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＝Ein(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Eout为：Eout(r,z)＝Ein(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。