基于等效流固耦合模型的铝合金振荡激光焊接残余应力数值分析

针对振荡激光焊接中残余应力分布机理不明确的问题，本研究创新性提出等效流固耦合模型（fluid–structure interactions），通过数值模拟揭示了熔池对流换热效应，实现熔深拟合度达97.1%。研究发现振荡激光可使纵向/横向高残余拉应力分布面积分别减少3.3%和7.3%，为优化航空铝合金焊接工艺提供理论支撑。

　　

铝合金作为航空航天轻量化关键材料，其激光焊接技术长期面临小孔不稳定导致的孔隙、飞溅等难题。虽然振荡激光能显著改善焊缝成形并细化晶粒，但残余应力分布规律始终缺乏系统研究。传统等效热源模型虽能提升计算效率，却无法反映激光振荡对熔池流动和应力演化的影响。更棘手的是，完全流固耦合模拟存在计算成本高、稳定性差的瓶颈。

为解决这一系列问题，中国国家自然科学基金资助团队开发了创新的等效流固耦合模型，建立了拟合度超90%的振荡激光焊接应力数值模型。该研究通过引入熔体对流换热效应，将熔深预测精度提升至97.1%，首次系统阐明了振荡激光焊接中残余应力的时空演化规律。相关成果发表在《Optics》期刊。

研究采用高斯体热源模型（Gaussian body heat source）和非均匀网格划分技术，结合自主研发的等效流固耦合算法。通过对比静态与振荡激光焊接的应力场，发现振荡激光使熔池前沿应力值显著增加，且应力扩散方向随焊接进程向熔池前侧及两侧偏移。

几何建模与网格划分
建立100 mm×100 mm×5 mm的铝合金板模型，采用焊缝中心密、边缘疏的非均匀网格策略，兼顾计算精度与效率。

热源模型
基于公式Q_f
=9AP/[πR₀
²
H(1-e^-3
)]exp[-9((x-x₀
)²
+(y-y₀
)²
)/(R₀
²
log(H/(z-z₀
)))]构建三维热源，精确模拟激光能量沉积。

残余应力分布规律
振荡激光使焊缝顶部形成应力集中区，横向应力以拉应力为主（峰值396 MPa），纵向应力则主要表现为压应力。关键发现是振荡激光使焊缝中心高残余拉应力区面积纵向减少3.3%、横向减少7.3%。

结论与意义
该研究提出的等效流固耦合模型突破传统热源模型局限，首次量化了激光振荡对残余应力的调控作用。Zhaoyang Wang等发现振荡激光通过增强熔体流动产生额外对流换热，这种"搅拌效应"可有效破碎枝晶、细化组织。相比静态激光，振荡激光焊接件的高应力区面积显著缩小，这对提升航空铝合金焊接结构疲劳寿命具有重要工程价值。研究为发展高精度、高效率的激光焊接数值模拟方法提供了新范式。