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Welding Virtual Simulation | Views : 0 Downloads: 6 CSCD: 0

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    • Current Status and Prospect of Multi-Scale Numerical Simulation of Laser Welding Process

    • LIANG Guodong

      1 ,

      DONG Bin

      2 ,

      QIN Guoliang

      1
    • Vol. 54, Issue 8, Pages: 8-19(2024)   

      Published： 25 August 2024 ，

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.02     

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  • LIANG Guodong, DONG Bin, QIN Guoliang.Current Status and Prospect of Multi-Scale Numerical Simulation of Laser Welding Process[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(8): 8-19. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.02.
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    Sections

    Abstract

    As an advanced welding technology, laser welding technology has been widely used in high-end manufacturing industries, while the complex thermodynamic behaviors of the keyhole and the molten pool determines the quality of the joint, which has influences on the further development and the applications of laser welding technology. Numerical simulation methods have been widely used in basic theoretical research of welding such as multi-physical filed behaviors of welding process because of its their low cost and high efficiency. At present, numerical simulation methods with different scales had been developed in the multi-physics field research of laser welding. Based on the research achievements at home and abroad, the main methods and research contents used in the numerical simulation of laser welding at the atomic scale, micro-scale, macro-scale, and multi-scale coupling were summarized in this paper, and their characteristics were analyzed. Finally, the prospect of the development of multi-scale numerical simulation of laser welding was discussed.

    transl

    Keywords

    laser welding; multi-scale; keyhole; molten pool; numerical simulation

    transl

    0 引言

    激光焊接以其能量密度高、焊接过程稳定、生产效率高及热影响区小等诸多优势，已广泛应用于高端制造业。当高能量密度激光束作用于材料时，熔融金属会发生气化并在金属气化反冲作用力作用下产生匙孔（Keyhole），这使得熔池具有复杂的动力学行为。在激光焊接过程中，匙孔的稳定性对熔池的动态行为具有决定性作用，并最终影响到接头质量。此外，从微观角度考虑，匙孔和熔池复杂的热力行为也对熔池凝固过程中组织演变具有决定性作用。因此，深入了解激光焊接熔池中传质传热行为和动态凝固过程对改善焊缝组织结构和优化接头性能至关重要。

    transl

    一些研究者利用高速摄像和X射线成像技术等试验方法来分析匙孔和熔池的动力学行为，如利用高速成像技术分析激光焊接过程中匙孔喷射出的激光致等离子体流的形态、大小和行为以及匙孔形貌［

    1-2］；利用X射线成像可以研究匙孔和等离子体行为之间的相互关系以及匙孔的演变［3-4］。然而，高速成像技术更多地用于熔池表面等外部信息监测分析，难以全面准确地揭示熔池内部的多物理场行为；同时，由于材料的不透明性以及凝固过程高度局部化且速度极快，很难通过试验方法获得熔池凝固组织的动态演化行为信息，这些因素都限制了激光焊接熔池动力学行为及其凝固行为的研究。
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    随着计算技术的发展，数值模拟作为一种高效、低成本的方法，能够较为准确地模拟焊接过程多物理场行为及熔池凝固过程，已被广泛应用于焊接基础理论的研究。鉴于激光焊接熔池和匙孔的复杂性，数值模拟手段相较于实验手段表现出更大的优势。本文基于国内外学者的研究成果，将对激光焊接在原子尺度、微观尺度、宏观尺度和多尺度耦合方面的数值模拟方法和研究进展进行综合分析，旨在更好地理解激光焊接不同尺度数值模拟方法的适用性及各尺度之间的耦合程度，促进激光焊接多物理场多尺度数值模拟的发展，并为激光焊接工艺开发与工程应用推广提供理论指导。

    transl

    1 激光焊接原子尺度计算/模拟方法

    1.1 第一性原理计算

    第一性原理计算是以量子力学理论为基础，根据原子核和电子的相互作用和运动规律，最大限度地对问题进行“非经验”处理，进一步求解薛定谔方程的过程，从而计算出体系的物理性能［

    5-6］。目前针对异种材料激光焊接过程中产生的金属间化合物及其冶金控制，采用第一性原理计算方法进行了大量研究，以达到优化焊接接头性能的目的。
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    由于铝/钢异种金属激光焊接过程中Fe-Al金属间化合物（Intermetallic Compounds， IMCs）的生成恶化了接头性能，国内外研究人员通过添加Cu、V、Ni、Mn、合金元素来调控IMCs的生成，并采用第一性原理计算方法研究了金属间化合物的弹性和电子性能［

    7-10］，单元胞模型如图1所示。结果表明，FeAl、Fe2Al5和FeAl3的高脆性是由强共价键和反键形成的，Al2Cu的低脆性源于共价键数较少，Al21V2的低脆性是由于其共价键强度较低。
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    fig

    图1  单元胞模型

    Fig.1  Unit cell models

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    此外，在其他异种材料的激光焊接领域中也采用第一性原理进行了大量金属间化合物的研究［

    5-6，11-12］，如在Mg与Cu合金之间插入Zn层，研究了Zn层厚度对脉冲激光焊接接头组织和性能的影响、镍钛形状记忆合金和304不锈钢激光焊接中IMCs类型及其对接头力学性能的影响、激光焊接Mg-Al IMCs特性及其对接头脆性断裂的作用机制以及Ta与304不锈钢激光焊接IMCs特性及其对接头性能的影响，取得了积极进展。
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    1.2 分子动力学模拟

    分子动力学模拟是一种用于研究原子和分子尺度的物理过程计算方法。分子动力学模拟的基本原理是：先给定原子的初始位置，由体系中各粒子的位置拟合出经验势函数，采用牛顿运动定律来标记每个粒子的运动轨迹，然后运用统计物理规律根据每个粒子的空间位置及速度计算出整个体系的宏观物理量［

    13-14］。目前，在激光焊接领域主要利用分子动力学模拟在纳米级别研究焊接接头变形机制和扩散行为。
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    朱忠尹、Yan等人［

    13，15-16］采用分子动力学模拟研究了不同温度下CrCoNi中熵合金在激光焊接过程中的变形行为。结果表明，低温下材料强度明显提高，其原因是低温变形机制包括密度更高的变形孪晶和更强的位错-变形孪晶相互作用，对位错的移动产生阻碍。Luan等人［17］研究了银纳米线连接器激光焊接接头的形成机理及激光功率对焊接接头变形的影响。刘世恩、黄彦琴［14，18］研究了激光焊接Zr基非晶合金与Cu晶体之间的扩散行为，发现主要是Cu原子向Zr基合金中扩散。
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    此外，分子动力学模拟在超快激光焊接领域较传统有限元模拟表现出显著优势。闻锦程等人［

    19］对飞秒激光作用下的铝和石英玻璃界面进行了分子动力学模拟，发现飞秒激光作用后，铝原子会向石英玻璃一侧扩散移动的现象。
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    2 激光焊接过程微观尺度的模拟方法

    激光焊接过程中，材料、工艺参数、热源作用等众多因素都对焊缝组织演变及接头性能产生重要影响。为更好地理解熔合区微观组织的形成机制，研究激光焊接熔池的凝固过程显得尤为重要，然而通过实验手段难以对焊接接头组织演变进行动态观察。随着数值模拟技术的日益成熟，为探究焊接熔池凝固行为提供了新途径。此外，焊接工艺本身具有凝固速率大、温度分布不均匀、动态结晶与偏析严重等特点，都增加了接头组织模拟的难度［

    20］。目前，针对组织模拟普遍采用的方法主要有蒙特卡洛（Monte Carlo，MC）法、元胞自动机（Cellular automaton，CA）法和相场（Phase field，PF）法。
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    2.1 蒙特卡洛法

    蒙特卡洛（MC）法是基于最小界面能原理，采用概率模型来模拟微观组织演变的一种随机性方法［

    21-22］。目前，MC法在激光焊接领域被广泛地应用于焊缝晶粒生长的模拟中。由于激光焊接过程中微观组织演变涉及熔池边界曲率的多重变化、空间热循环的不均匀性以及过冷可忽略等多个特殊特征，晶粒结构和拓扑特征很难被严格表征。Wei等人［23］针对匙孔激光焊独特的空间可变性，在考虑熔池运动、形状和尺寸的情况下，采用MC法建立了三维晶粒生长模型，研究了焊接速度对焊缝区和热影响区晶粒组织的演变影响。高启涵［24］对MC模拟时间和真实时间的换算公式进行了修正，模拟了1060铝合金激光焊接过程中焊缝区域晶粒的生长。王力群［25］采用MC法建立了模拟激光焊接热影响区晶粒生长的晶界迁移模型，动态再现了热影响区的晶粒长大过程，并阐明了温度梯度对晶粒生长的影响。Li等人［26］则采用MC方法模拟了270镍板焊接过程中热影响区的晶粒组织。
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    2.2 元胞自动机法

    元胞自动机（CA）法的原理是将计算区域离散成若干个元胞，并为每个元胞都定义初始状态，这些元胞按照一定规则发生改变［

    22］。在微观组织模拟中，CA法有明确的理论基础，并融入了“概率性”的随机思想，能够考虑组织演变过程中的随机性［20］。因此，CA法是激光焊接微观组织模拟的一种有效方法。
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    Gu等人［

    27］建立了枝晶与气孔耦合的CA模型，用于模拟Al-Cu合金激光焊接熔池凝固过程中枝晶的生长和气孔的演化。如图2所示，在凝固初期，枝晶开始生长和变粗，不同树突之间发生竞争生长。随着枝晶的生长，氢在枝晶周围聚集，当局部氢浓度超过临界值时，气孔开始形成。气孔的增大降低了液体中的氢浓度，直到局部氢浓度低于局部氢饱和浓度。刘芸［28］基于CA法建立了铝合金激光焊接熔池凝固过程的枝晶生长模型，并对焊接熔池枝晶生长过程和溶质场演变进行模拟，结果表明，由于熔池不同区域温度梯度、冷却速率和成分过冷度的不同，使得熔池中心形成等轴树枝晶，熔池边缘呈现柱状树枝晶。李玉斌［29］基于晶界曲率和热能与晶粒生长的关系，提出了能量-曲率驱动CA模型来模拟晶粒的等温长大过程。Dey等人［30］提出了一种耦合CA方法来模拟不同冷却速率下的晶粒状态。
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    fig

    图2  熔池中枝晶生长和孔隙率在氢浓度场下的演变结果［

    27］

    Fig.2  Evolution of dendrite growth and porosity under hydrogen concentration in molten pool［

    27］

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    这些研究展示了CA法在模拟激光焊接过程中微观组织演变方面的适用性和灵活性。

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    2.3 相场法

    相场（PF）法以Ginzburg-Landau理论为基础，通过构建微分方程来表达扩散、有序化势和热力学驱动的耦合作用，通过引入相场变量来表征固液相及固液界面［

    20-21］。由于PF法可以耦合复杂的物理作用，同时无需追踪复杂的固液界面，因此可以准确地反映焊接熔池凝固过程中的微观组织演变［28］。
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    柱状晶向等轴晶转变（Columnar-to-Equiaxed Transition，CET）是激光焊接过程中焊缝组织演变常见的现象，这种转变有助于防止大柱状晶粒的生长，从而改善焊接接头的力学性能。Guo等人［

    31］建立了Al-Mg合金激光焊接二维PF模型，研究了瞬态热条件对CET过程的影响。结果表明，在激光焊缝横截面中，从焊缝上部区域到底部区域的柱状晶长度呈现明显的下降趋势，如图3所示。对于底部区域，由于冷却速度较大，过冷度和过冷区尺寸也比其他区域更大，这导致了CET的早期发生，使得柱状区域长度较短。Xiong等人［32］为了模拟Al-Cu合金激光焊接熔池的CET过程，建立了考虑晶体取向和非均相形核的二维PF模型。模拟结果表明，柱状晶在熔池边缘开始形成；无论取向如何，枝晶都向熔合区中心生长，等轴晶先于柱状晶生长，它们在柱状晶前方形成一条带，阻止柱状晶的生长。
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    fig

    图3  激光焊缝熔合区不同位置瞬态热条件下的显微组织预测［

    31］：（a）上部；（b）中部；（c）底部

    Fig.3  Predicted microstructure under transient thermal conditions at different locations in fusion zone of laser weld［

    31］：（a）upper；（b）middle；（c）bottom

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    此外，众多学者对激光焊缝晶粒生长的影响因素进行了相关探究。Sheikhi等人［

    33］采用解析模型和二维PF数值方法模拟了细晶1050铝合金激光点焊过程中热影响区的发展，研究了初始母材晶粒尺寸对热影响区演变的影响。Yang等人［34］建立了AA5754铝合金电磁搅拌激光焊接中枝晶生长的二维PF模型，研究了磁场对晶粒生长的影响效果。Mi等人［35］采用二维PF模型，通过在两个固定取向晶粒之间设置一个变化取向晶粒研究了Al-Cu合金激光焊接过程中不同取向晶粒间的竞争性枝晶生长。
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    需要强调的是，在实际焊接过程中枝晶的生长是三维的，这比二维数值模拟要复杂得多。因此将三维和二维模型进行对比也是一个值得深入探讨的主题。Bailey等人［

    36］开发了6061Al合金激光焊接三维PF模型，通过将三维PF模型与热模型相结合来预测激光焊接过程中的枝晶生长。尽管二维模拟在计算效率方面具有显著优势，但三维相场模型能够更准确地预测激光焊缝熔合区内任何位置的显微组织，如图4所示。
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    fig

    图4  （a）2D多晶粒和（b）3D横截面多晶粒模拟对比［

    36］

    Fig.4  Comparison of （a） 2D multi-dendrite and （b） 3D cross-section multi-dendrite simulations［

    36］

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    2.4 MC、CA和PF方法对比分析

    MC法能够在较大尺度内对激光焊熔池凝固过程的微观组织演变进行模拟，同时考虑了组织演变过程中的随机性，无需对晶粒的具体情况进行假设，计算数值较为稳定，收敛性可以得到保证［

    20-21］。但MC法缺乏明确的物理基础作为支撑，因此难以定量分析凝固过程中的微观组织演变［28］。CA方法基于“概率性”的随机思想，并且拥有明确的物理基础作为支撑，因此可定量分析微观组织演变［28］。但对于固液界面存在多变性的熔池中，例如具有匙孔特性的激光焊熔池，界面曲率的多变性会使模拟过程变得复杂；同时CA法模拟结果对相邻元胞的形状和尺寸较为敏感，容易受到相邻元胞的影响［22］。PF法由于引入了相场变量来表征固液界面，避免了追踪复杂的固液界面所带来的困难［20］。同时PF法易与其他多物理场耦合，可较精确地模拟激光焊熔池凝固过程中的微观组织演变。但PF法难以用于大尺度的微观组织模拟，同时计算效率低限制了其应用领域的进一步扩展。
    transl

    综上所述，目前MC、CA和PF法各具优势，已被广泛应用于激光焊接熔池凝固的微观组织模拟中。然而，采用单一的模拟方法仅在微观尺度对组织演变进行分析，难以真实反映实际的组织演变过程。因此基于这三种微观组织模拟方法与其他物理场进行耦合，才能在多尺度水平下真实地动态模拟激光焊接微观组织演变过程。

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    3 激光焊接过程宏观尺度数值模拟

    3.1 熔池温度场和流场

    3.1.1 匙孔和熔池的动态行为及稳定性研究

    当高能量密度的激光束持续作用在母材表面时，材料会发生气化，在材料气化反冲作用力下匙孔快速形成和演化［

    37-39］。匙孔稳定性在很大程度上决定了熔池的动态行为，并最终影响到接头的质量［40］。国内外诸多学者通过数值模拟对激光焊接过程多物理场进行分析，可以在不影响精度的情况下研究激光焊接过程中匙孔行为和熔池流动特征。
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    Ai等人［

    41］采用CFD方法研究了异种材料激光焊接过程中匙孔的动力学行为及其对焊缝非对称特性的影响。结果表明，焊接速度的增加会使得匙孔形貌变得不对称。Chen等人［42］采用CFD模拟方法研究了2219铝合金T型接头在双激光束双边同步焊接过程中的匙孔耦合和熔池流动行为。Tang等人［43］采用多相耦合CFD模型进行了不同错位程度脉冲激光焊接过程熔池动态行为的数值模拟。Chen等人［44］基于CFD建立了多物理场耦合模型，研究了脉冲激光下流体流动特性及熔池尺寸的变化。结果表明，匙孔在一个脉冲周期内经历了形成/重建、收缩、坍塌三个阶段。匙孔坍塌造成焊缝下部产生孔隙，可能导致气孔的形成。
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    3.1.2 匙孔致气孔形成机理研究

    在激光深熔焊过程中，匙孔的不稳定，易诱发气泡的形成，这些气泡在熔池凝固后被困在熔池后部，形成匙孔诱导气孔［

    45］。气孔是激光焊接的主要问题之一，会降低焊接接头的力学性能，尤其是抗拉强度［46］。因此，众多学者采用数值模拟手段对匙孔致气孔的形成机理进行了大量研究。
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    Wu等人［

    45］研究了激光焊接中匙孔诱导气孔的形成机理。结果表明，匙孔诱导气孔形成的主要机制是由于熔池强烈的流体流动和匙孔的毛细不稳定性导致匙孔后壁的坍塌从而形成液桥。当液桥不易破碎时，气泡就被留在熔池内部形成气孔，如图5a所示。第二种机制是匙孔前壁形成较大凸起时，凸起对激光能量多次反射，反射的能量作用到后匙孔底部，最终导致匙孔底部发生坍塌，形成气孔，如图5b所示。Sun等人［47］对厚钢板大功率激光焊接产生的链状气孔成因进行了分析。结果表明，链状气孔的周期性分布是由于匙孔坍塌频率、下部热量积累、顺时针涡流传热以及中部凝固潜热积累同时发生周期性变化影响熔池轮廓的周期性变化所致。Lin等人［48］发现匙孔后壁剧烈的熔池流动导致匙孔坍塌并产生气泡。匙孔后壁产生的涡流进一步使气泡从匙孔底部进入熔池，最终难以逃逸，形成气孔。Lu等人［49］的研究也表明气泡的数量主要取决于匙孔坍塌的频率。
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    fig
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    图5  气孔形成机制［

    45］：（a）第一种机制；（b）第二种机制

    Fig.5  Porosity formation mechanism［

    45］：（a）first mechanism；（b）second mechanism

    综上所述，匙孔致气孔的形成原因主要与熔池的传质传热行为、反冲压力和表面张力引起的匙孔坍塌频率、熔池凝固速率密切相关。通过数值模拟手段阐明熔池和匙孔的动力学行为，可以为抑制气孔缺陷的产生提供理论支撑。

    transl

    3.2 应力应变场的数值分析

    在激光焊接过程中，激光作用区域快速加热和冷却，导致材料的显微组织和应力状态发生了强烈的变化，这些特性决定了焊接接头的力学性能［

    50-53］。因此，考虑到激光焊接结构的安全性和经济性，焊接残余应力和变形的预测和控制就显得尤为重要。实验手段对残余应力的预测容易受到成本、效率和瞬时测量复杂性的限制。而数值模拟作为一种直观、高效、低成本的应力应变预测手段，被广泛应用在激光焊接领域。Yan等人［54］采用有限元分析方法，预测了摆动参数对316LN不锈钢焊接接头的温度场、残余应力和变形的影响。结果表明，优化的摆动频率可以消除焊缝区残余应力集中现象。Xiong等人［55］采用考虑相变的热-冶金-力学模型预测了Ti-6Al-4V激光焊接后的残余应力场。
    transl

    异种材料激光焊接过程中由于异种材料之间的物性差异，加剧了温度分布的不均匀性并最终影响着残余应力的分布。Bu等人［

    56］利用组合热源建立了CFRTP与Ti-6Al-4V合金激光摆动焊接的热-力耦合模型，分析了各参数下温度场和残余应力的分布特征。激光焊接焊缝周围明显的残余应力集中和CFRTP内部不对称的残余应力分布主要是由于热输入不均匀和夹具约束的综合作用导致的。Zhou等人［57］基于热弹塑性理论的热-力学耦合模型研究了Ti6Al4V和2024-T4合金激光焊接过程中的热应力分布。温度和应力分布的不对称性表明，材料性能的巨大差异对热应力分布的均匀性有显著影响。
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    厚板激光焊接技术在许多关键的工程结构中得到了广泛应用，但其安全性和稳定性仍然受到焊接热循环带来的残余应力的影响。Yan等人［

    58］建立了30 mm厚的5A06铝合金板多道次激光焊接数值模型来预测焊接残余应力。研究发现，焊接速率的提高增大了热应力，从而导致结构中出现更高的残余应力值。Liang等人［59］采用等效热源模型分析了30 mm厚高强钢摆动激光多层单道窄间隙焊接温度场和应力应变场。
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    4 激光焊接过程多尺度数值模拟

    基于前文所述，仅在单尺度层面难以准确分析激光焊接过程的多物理场演变。尤其在微观组织演变分析中，激光熔池宏观尺度的传质传热和微观尺度的固液界面动力学之间复杂的相互作用协同影响着凝固过程。因此，多尺度耦合的数值模拟是揭示激光焊接多物理场，尤其是微观组织演变机制的有力手段。

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    4.1 分子动力学耦合有限元模拟

    Badawy等人［

    60］为了弥补分子动力学和有限元方法单一模型不足，建立了考虑自由电子传导和三维激光束生长的有限元与分子动力学耦合的激光焊接模型，与单一分子动力学和有限元模型相比，该模型表现出明显优势。Tang等人［61］基于焊缝中存在的偏析现象，采用有限元方法分析了不同工艺参数对温度场的影响规律，采用分子动力学方法从原子尺度分析了焊缝的形成过程。
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    4.2 MC法耦合温度场

    Wei等人［

    23］采用MC方法通过耦合温度场研究了不同区域的组织演变和焊接速度对晶粒形态的影响。从熔合区边界处生长的弯曲柱状晶粒与焊缝中心线附近的轴向柱状晶粒共存；当焊接速度升高时，轴向柱状晶粒组成的区域减小，焊缝中柱状晶粒的尺寸明显减小，如图6所示。Gao等人［62］采用MC法耦合温度场计算了不同热输入条件下晶粒的生长和形态演变。柱状晶粒沿温度梯度垂直于熔池凝固边界生长。随着热输入的减少，柱状晶粒的形貌由弯曲变为直晶，且晶粒尺寸变小。此外等轴晶粒的形成将阻碍柱状晶的生长。王力群［25］根据温度场计算结果获取了焊接热循环曲线，并将其引入MC方法，实现了考虑温度梯度作用下激光焊接热影响区晶粒长大行为。
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    fig

    图6  不同焊接速度下模拟的三维晶粒结构对比［

    23］：

    Fig.6  Comparison of simulated 3D grain structure at different welding speed［

    23］：（a）1 m/min；（b）8 m/min

    （a）1 m/min；（b）8 m/min

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    4.3 CA法耦合温度场流场

    Gu等人［

    63］为了研究激光束在窄间隙中的多次反射作用对缺陷形成和晶粒结构变化的影响，建立CFD和CA法的耦合模型，有无激光反射的模拟结果如图7所示。通过将各焊接道次的热循环与CA法相结合，评估了激光束反射对晶粒结构发展的影响。在有激光反射的情况下，柱状晶粒从熔合线向熔池中心外延生长。在没有激光反射的情况下晶粒发生粗化，且出现侧壁未熔合的缺陷。Tan等人［64］采用宏观动力学和CA法耦合的多尺度模型研究了激光焊接奥氏体不锈钢熔池凝固过程中枝晶的生长规律。采用宏观动力学模型对匙孔和熔池流体流动和换热进行了预测，将生成的热循环数据输入三维CA模型和二维CA模型，分别用于预测介观尺度晶粒生长和微观尺度枝晶形态。Kang等人［65］采用模拟温度场的有限元模型和计算微观组织演变的CA耦合模型，研究了激光深熔焊热循环与微观组织演变的关系。
    transl

    fig

    图7  四个焊道的晶粒组织演变［

    63］：（a~d）无激光束反射；（e~h）有激光束反射

    Fig.7  Grain structure evolution of four welding passes［

    63］：（a~d）without laser beam reflection；（e~h）with laser beam reflection

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    4.4 PF法耦合温度场流场

    Han等人［

    66-68］为了研究铝锂合金激光焊接熔池凝固过程中独特的等轴-柱-等轴转变，建立了多物理场多尺度三维PF法模型，如图8所示［67］。结果表明，成核速率对柱状晶粒的生长起关键作用。Wang等人［69］通过建立宏观温度场和微观PF法耦合的数值模型研究了不同焊接参数下2A14铝合金激光焊接熔池的传热和柱状晶粒生长规律。宏观传热模型用于计算不同焊接参数下激光焊接熔池的温度场。PF模型模拟了不同焊接参数下激光焊接熔池中柱状晶粒的生长。Geng、Jiang［70， 71］建立了多晶合金凝固的多尺度模型，将宏观尺度的传热和流体流动模型与微观尺度的PF模型相结合，研究了5083铝合金激光焊接凝固过程中晶粒生长的演变。
    transl

    fig

    图8  多尺度模型示意［

    67］：（a）传热传质宏观模型；（b）三维宏观模型与二维微观模型之间的关系；（c）三维宏观模型与三维微观模型之间的关系；（d）焊缝的实际显微组织

    Fig.8  Schematic diagram of multi-scale model［

    67］： （a）macroscale model for heat and mass transfer；（b）relationship between the 3D macroscale model and 2D microscale PF model；（c）relationship between 3D macroscale model and 3D microscale PF model；（d）actual microstructure in weld

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    5 总结与展望

    数值模拟计算是激光焊接基础理论研究的重要方法。原子尺度的第一性原理计算为异种材料激光焊接过程中的金属间化合物形成和控制提供指导；分子动力学模拟可在纳米级别对激光焊接接头的变形机制、扩散行为进行研究。微观尺度的蒙特卡洛法、元胞自动机法和相场法可对激光焊接熔池凝固组织演变和焊缝晶粒生长进行模拟研究。然而，不同尺度的模拟方法有待进一步发展。例如，微观尺度的MC法缺乏明确的理论基础，难以定量分析凝固过程中的微观组织演变；CA法如何跟踪和演化尖锐的固/液界面以及如何消除网格诱导影响；PF法如何提高计算效率并适用于更大尺度的组织模拟，都需要进一步改进。

    transl

    国内外的研究结果也表明，仅采用单尺度下的模拟方法难以建立全面的激光焊接数值模拟系统。针对单尺度模拟的局限性，目前国内外学者也已开发出激光焊接过程多尺度、多场耦合的数值模拟。因此，多尺度、多场耦合的数值模拟将是未来数值模拟发展的方向，有望建立激光焊接“成分-工艺-组织-性能”的数值分析集成框架，进而实现激光焊接工艺优化和应用创新。

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    参考文献

    1

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