面向低温钢光纤激光焊接的多层热源模型构建与优化研究

为解决光纤激光焊接中热源模型自由度不足和参数优化困难的问题，韩国工业技术研究院的研究团队开发了一种新型六层热源模型，通过全局优化算法和简化有限元分析（FEA）方法，实现了焊接熔融区预测精度提升（误差仅1.6%）且计算成本降低至1/2000。该研究为船舶LNG燃料舱焊接工艺优化提供了关键技术支持。

　　

在船舶工业向液化天然气（LNG）燃料转型的背景下，9%镍钢因其优异的低温力学性能成为燃料储存容器的核心材料。然而传统弧焊工艺存在磁偏吹现象和热影响区过大的缺陷，而新兴的光纤激光焊接虽能精准控制热输入，却缺乏普适性热源模型——现有模型或自由度不足难以适应多样化工况，或参数标定缺乏系统性方法，导致焊接变形和残余应力预测偏差显著。

针对这一瓶颈，韩国工业技术研究院（Korea Institute of Industrial Technology）的Changmin Pyo团队在《Journal of Ocean Engineering and Science》发表研究，创新性提出六层热源模型（Level 3）。该模型通过分层高斯分布设计，引入转折点半径关联方程，解决了传统模型在熔池中部形变预测不准的难题。研究人员采用多岛遗传算法（MIGA）耦合二维简化有限元模型，仅用0.25小时即完成传统需480小时的计算任务，实现了热源参数的高效优化。

关键技术包括：1）基于熔池边界温度场反演的热源参数逆向求解；2）开发六层截锥组合体几何模型，通过C_RT4系数控制下部半径递增/递减形态；3）建立热流密度与体积比关联方程（式1-5）；4）采用Nital溶液蚀刻结合数字光学显微镜进行焊缝形貌表征。

研究结果显示：

1. 模型架构创新：通过式6-9定义的半径递推关系，使热源下部形态可模拟二次曲线/指数曲线特征，较Level 2模型温度预测误差降低2.8倍。

2. 参数优化结果：在4kW功率下，1.0m/min工况的热源效率η=83.3%，顶部半径R_T1=3.918mm，中部转折半径R_T4=1.738mm，形成"双截锥"特征（表15）。

3. 实验验证：简化模型与全三维模型的熔深预测偏差<7.2%，而传统双截锥模型误差达13.8%（表25）。X向热通量仅为Z向的12.1-13.6%（表18），证实二维简化合理性。

这项研究的意义在于：首次构建了可精确反映熔池中部形变的参数化热源模型，其六层架构设计为激光焊接仿真提供了新范式。实际应用中，该模型能指导船厂快速确定LNG燃料舱焊接参数，将工艺开发周期从传统试错法的数月缩短至数天。未来通过集成深度学习代理模型，有望实现焊接参数的实时动态优化，推动激光焊接在低温压力容器制造中的规模化应用。