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第1章 激光＋GMAW复合热源焊理论基础1

1.1 激光＋电弧复合热源焊简介1

1.1.1 激光＋电弧复合热源焊原理1

1.1.2 激光＋电弧复合热源焊种类2

1.2 激光焊接理论基础5

1.2.1 材料对光吸收的一般规律5

1.2.2 金属对激光的吸收6

1.2.3 光致等离子行为11

1.2.4 小孔效应19

1.3 激光焊设备及工艺特点21

1.3.1 激光焊设备21

1.3.2 激光焊接模式25

1.3.3 激光深熔焊工艺特点27

1.4 激光＋GMAW复合热源焊设备及工艺特点28

1.4.1 激光＋GMAW复合热源焊设备28

1.4.2 激光＋GMAW复合热源焊工艺特点29

1.4.3 激光＋GMAW复合热源焊工艺模式31

第2章 激光＋GMAW复合热源焊工艺基础33

2.1 激光＋GMAW复合热源焊工艺参数33

2.2 工艺参数对焊缝成形的影响33

2.2.1 激光功率34

2.2.2 光丝间距35

2.2.3 离焦量37

2.2.4 焊接电流（送丝速度）39

2.2.5 电弧电压40

2.2.6 电源类型41

2.2.7 焊接速度41

2.2.8 激光与电弧的相对位置42

2.2.9 激光束轴线与电弧焊枪角度43

2.2.10 保护气体44

2.2.11 坡口尺寸与形式45

2.3 激光与电弧之间的相互作用47

2.3.1 激光对电弧的吸引和压缩47

2.3.2 电弧对激光的吸收和散焦51

2.4 激光＋GMAW复合热源焊熔滴过渡51

2.5 激光＋GMAW复合热源焊小孔形态54

2.6 激光＋GMAW复合热源焊熔池内流体流动55

2.7 激光＋GMAW复合热源焊的应用57

2.7.1 应用趋势57

2.7.2 应用示例60

第3章 焊接数值模拟技术69

3.1 概述69

3.2 数值模拟方法70

3.2.1 有限元法70

3.2.2 有限差分法70

3.2.3 边界元法71

3.2.4 数值解的误差控制和收敛性72

3.3 焊接热过程的数值模拟73

3.3.1 焊接热传导74

3.3.2 焊接熔池中传热和流体流动75

3.3.3 自由表面追踪技术85

3.3.4 计算方法86

3.3.5 GMAW焊热过程计算关键问题88

3.4 熔滴过渡的数值模拟89

3.4.1 静力平衡理论（SFBT）89

3.4.2 电磁收缩不稳定理论（PIT）93

3.4.3 “质量-弹簧”理论94

3.4.4 流体动力学理论96

3.5 GMAW焊电弧的数值模拟98

3.5.1 假设条件与控制方程98

3.5.2 计算过程中的关键问题100

3.5.3 边界条件102

3.5.4 计算方法103

3.6 焊接应力与变形的数值模拟104

3.6.1 热弹塑性有限元法105

3.6.2 固有应变有限元方法109

3.6.3 考虑蠕变的黏弹塑性变形有限元法110

3.7 商用软件简介111

3.7.1 ABAQUS111

3.7.2 ANSYS112

3.7.3 MSC.MARC112

3.7.4 SYSWELD113

3.7.5 PHOENICS113

3.7.6 FLUENT114

3.7.7 FLOW-3D114

第4章 激光＋GMAW复合焊热源模型116

4.1 概述116

4.2 激光深熔焊热源模型116

4.2.1 热源模型的分类117

4.2.2 移动点-线热源118

4.2.3 体积热源模型118

4.2.4 小孔模型131

4.3 小孔模型介绍133

4.3.1 小孔形状计算模型133

4.3.2 小孔形状计算模型与体积热源模型的结合142

4.3.3 小孔动态行为综合数学模型144

4.4 GMAW焊电弧热流分布模型151

4.4.1 常用模型151

4.4.2 基于熔池表面变形的电弧热流分布模型152

4.5 熔滴热源模型156

4.5.1 熔滴热焓量157

4.5.2 熔滴热源模型157

4.6 激光＋GMAW复合焊热源模型161

4.6.1 复合焊热源模型简介161

4.6.2 关键问题的处理161

4.6.3 组合式体积热源模型163

4.6.4 组合式小孔热源模型165

第5章 激光＋GMAW复合焊温度场的数值分析167

5.1 概述167

5.2 激光＋GMAW-P复合焊准稳态温度场数值分析167

5.2.1 控制方程及边界条件167

5.2.2 复合焊热源模型168

5.2.3 熔池自由表面变形与焊缝余高170

5.2.4 计算过程170

5.2.5 试验条件171

5.2.6 焊缝形状尺寸的模型验证及分析173

5.2.7 电弧功率对复合焊温度场的影响177

5.2.8 电弧功率对复合焊热循环特征的影响181

5.2.9 光丝间距对复合焊温度场的影响184

5.3 T型接头铝合金复合焊温度场有限元分析187

5.3.1 瞬态热传导方程及边界条件187

5.3.2 T型接头复合焊热源模型188

5.3.3 试验条件190

5.3.4 网格划分及余高处理190

5.3.5 焊缝形状尺寸的模型验证及分析192

5.3.6 T型接头铝合金复合焊温度场特征195

5.3.7 T型接头铝合金复合焊热循环特征197

5.3.8 不同工艺参数对热循环峰值温度的影响198

第6章 激光＋GMAW复合焊电弧与熔池流场的数值分析201

6.1 概述201

6.2 复合焊等离子体数值分析201

6.2.1 数学模型201

6.2.2 复合焊等离子体对激光能量的吸收206

6.2.3 CO2激光＋TIG复合焊等离子体温度场207

6.2.4 Nd：YAG激光＋TIG复合焊等离子体数值分析208

6.2.5 模型特点211

6.3 复合焊熔滴过渡数值分析211

6.3.1 数学模型211

6.3.2 计算过程与熔滴过渡形态表征217

6.3.3 激光功率与焊接电流对熔滴过渡的影响218

6.3.4 保护气体流量对熔滴过渡的影响220

6.3.5 模型适用性221

6.4 熔池流场数值分析221

6.4.1 数值分析模型221

6.4.2 计算步骤225

6.4.3 熔池内流体流动226

6.4.4 合金元素在熔池中的分布230

6.4.5 激光对焊接驼峰的抑制234

6.4.6 模型适应性239

第7章 激光＋GMAW复合焊应力场的有限元分析240

7.1 概述240

7.2 应力场数值计算模型240

7.2.1 热弹塑性有限元法240

7.2.2 计算过程241

7.3 复合焊与GMAW焊残余应力场比较242

7.3.1 试验条件242

7.3.2 有限元模型243

7.3.3 残余应力与变形分析244

7.4 复合焊与埋弧焊残余应力比较249

7.4.1 试验条件与热源模型249

7.4.2 应力分析250

7.5 开坡口对接复合焊应力场251

7.5.1 试验条件251

7.5.2 有限元模型252

7.5.3 残余应力分析253

7.6 T型接头铝合金复合焊残余应力与变形256

7.6.1 试验条件及有限元模型256

7.6.2 残余应力与变形的数值计算257

7.7 角接头铝合金复合焊残余变形261

7.7.1 试验条件及有限元模型261

7.7.2 不同约束条件下的残余变形262

7.8 异种金属激光＋TIG复合焊残余应力265

7.8.1 试验条件及有限元模型265

7.8.2 异种金属复合焊应力与变形265

参考文献268