xiv
Contents
2.6 Simulation of Weld Pool and Keyhole in Deep Penetration
Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.1 Numerical Simulation of Weld Pool Shape in Deep
Penetration Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.2 Effect of Welding Speed and Laser Power on Weld
Pool Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7 Numerical Simulation of Fluid Flow in Weld Pool During
Deep Penetration Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.1 Characteristics of Fluid Flow in Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.2 Distribution of Flow Velocity in Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7.3 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Coupling Model and Numerical Computation Method
of Keyhole and Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Governing Equations of Coupled Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Heat Transfer and Fluid Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 Heat Source Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3 Free-Surface Tracking Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.1 Level Set Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2 VOF Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4 Boundary Conditions of the Coupling Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.1 Basic Agreements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.2 Discontinuous Boundary Conditions in Gas–Liquid
Two-Phase Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.3 Discontinuous Boundary Conditions for Surface
Tension, Thermal Capillary Force and Recoil Pressure . . . . . 77
3.5 Numerical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.1 Fast Solution of Laser Beam Energy Absorbed
by Keyhole Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.2 Keyhole Free Surface Tracking Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.3 Solutions for Coupling Free Surface Flow and Heat
Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5.4 Numerical Calculation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4 Simulation of Transient Keyhole and Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 Transient Coupling Dynamics of Keyholes and Weld Pool . . . . . . . . 108
4.2.1 Dynamic Evolution Process and Characteristics
of Keyholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.2 Flow Characteristics of Weld Pool with Stable Keyhole . . . . 110
4.2.3 Flow Characteristics of Weld Pool with Unstable
Keyhole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 Effects of Physical Factors on the Coupling Behavior . . . . . . . . . . . . 118
Contents
2.6 Simulation of Weld Pool and Keyhole in Deep Penetration
Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.1 Numerical Simulation of Weld Pool Shape in Deep
Penetration Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.2 Effect of Welding Speed and Laser Power on Weld
Pool Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7 Numerical Simulation of Fluid Flow in Weld Pool During
Deep Penetration Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.1 Characteristics of Fluid Flow in Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.2 Distribution of Flow Velocity in Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7.3 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Coupling Model and Numerical Computation Method
of Keyhole and Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Governing Equations of Coupled Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Heat Transfer and Fluid Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 Heat Source Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3 Free-Surface Tracking Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.1 Level Set Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2 VOF Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4 Boundary Conditions of the Coupling Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.1 Basic Agreements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.2 Discontinuous Boundary Conditions in Gas–Liquid
Two-Phase Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.3 Discontinuous Boundary Conditions for Surface
Tension, Thermal Capillary Force and Recoil Pressure . . . . . 77
3.5 Numerical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.1 Fast Solution of Laser Beam Energy Absorbed
by Keyhole Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.2 Keyhole Free Surface Tracking Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.3 Solutions for Coupling Free Surface Flow and Heat
Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5.4 Numerical Calculation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4 Simulation of Transient Keyhole and Weld Pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 Transient Coupling Dynamics of Keyholes and Weld Pool . . . . . . . . 108
4.2.1 Dynamic Evolution Process and Characteristics
of Keyholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.2 Flow Characteristics of Weld Pool with Stable Keyhole . . . . 110
4.2.3 Flow Characteristics of Weld Pool with Unstable
Keyhole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 Effects of Physical Factors on the Coupling Behavior . . . . . . . . . . . . 118