專(zhuān)利名稱(chēng)：激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光熔深焊接過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換與傳熱模型的建立方法，屬于焊接數(shù)值模擬領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光焊接的數(shù)值模擬技術(shù)已成為分析激光焊接熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程及溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形與組織預(yù)測(cè)的重要手段。激光焊接數(shù)值模擬技術(shù)的關(guān)鍵就是建立合理的能量轉(zhuǎn)換及傳熱模型。目前激光深熔焊接的熱源模型主要有線熱源、面熱源、體積熱源模型及點(diǎn)、 線、面、體積相結(jié)合的復(fù)合熱源模型。這些模型大多不考慮激光與光致等離子體之間的能量轉(zhuǎn)換與耦合，未考慮激光、等離子體與材料作用的特點(diǎn)，將激光與等離子體的作用均簡(jiǎn)單處理為熱作用；多數(shù)模型沒(méi)有考慮熔池液相的流動(dòng)對(duì)小孔和熔池形貌的影響，也沒(méi)有建立小孔形態(tài)和熱源模型的關(guān)系，未經(jīng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析，直接將熱源的邊界抽象成直線、 圓柱形、錐形或其他曲線。實(shí)際上，激光對(duì)材料的作用機(jī)制和等離子體對(duì)材料作用的機(jī)制本質(zhì)上不同，在小孔形成前，材料直接從激光獲取能量，在小孔形成后，激光提供維系等離子體的能量，同時(shí)，在焊接過(guò)程中和等離子體一直處于能量耦合狀態(tài)，并且一起提供產(chǎn)生維系小孔的氣團(tuán)能量。小孔的邊界一直是激光與等離子體的主要作用區(qū)域，并且小孔的形態(tài)直接關(guān)系到能量的作用面積，與能量的轉(zhuǎn)換和耦合密切相關(guān)，和熱源模型的邊界應(yīng)該有著緊密的依賴(lài)關(guān)系，因此，這些模型與實(shí)際情況相比，還有明顯的偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法。通過(guò)該方法所建立的激光熔深焊接模型，與現(xiàn)有的點(diǎn)熱源模型、面熱源模型、體積熱源模型相比，能夠更為真實(shí)地反映出激光熔深焊接過(guò)程中能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，與實(shí)際的焊縫更為接近，同時(shí)該模型也是一種自洽性模型。為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，包括以下步驟(I)、測(cè)量激光的表征參數(shù)、選取熔池和等離子體區(qū)域的參考點(diǎn)、測(cè)量激光熔深焊接過(guò)程中參考點(diǎn)的溫度； 所述激光的表征參數(shù)至少包括激光的功率、功率密度、發(fā)射角以及光斑直徑；(2)、首先， 分別采用特征變量函數(shù)Φ(ΦΡ Φ Φ)表征激光輸入能量的分配系數(shù)、特征變量函數(shù) 』P，A1)表征等離子體-熔池與激光-熔池的耦合系數(shù)，其中'Φρ、ΦΗ、分別是維系光致等離子體的能量、作用在小孔壁上的能量、其他損失能量與激光輸入能量的比
值，Φρ+ΦΗ +知=1 ;』ρ、』ζ分別是......，且』ρ、』ζ的取值均在0-1之間；然后分別對(duì)
Φ(ΦΡ Φ Φ》、』^1)設(shè)置初始值以及相應(yīng)的增量步長(zhǎng)；(3)、根據(jù)激光熔深焊接的控制方程，給定相應(yīng)激光熔深焊接的邊界條件，以計(jì)算出激光熔深焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；
(4)、根據(jù)步驟(3)所計(jì)算出的溫度場(chǎng)，獲取各參考點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算值后，將各參考點(diǎn)的溫度計(jì)算值和步驟(I)中相應(yīng)參考點(diǎn)的溫度測(cè)量值之差的絕對(duì)值S與預(yù)設(shè)誤差值S1
3進(jìn)行比較若大于返回步驟(2)進(jìn)行Φ(Φ泛ΦΒ Φ)的變量賦值，繼續(xù)下一個(gè)增量步計(jì)算；若小于L，轉(zhuǎn)入下一步驟的計(jì)算；(5)、根據(jù)溫度場(chǎng)的分布，計(jì)算熔池形狀；(6)、根據(jù)小孔壁面上的力平衡方程，計(jì)算小孔形狀函數(shù)；(7)將小孔邊界溫度與步驟(3)所述溫度場(chǎng)中氣液界面溫度之差的絕對(duì)值與預(yù)設(shè)誤差值L比較，若大于返回步驟(2)進(jìn)行 ^ ^1)的變量賦值，繼續(xù)下一個(gè)增量步計(jì)算；若小于轉(zhuǎn)入下一步驟的計(jì)算；(8)、 輸出計(jì)算結(jié)果。根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明在激光焊接數(shù)值模擬建模時(shí)， 充分考慮激光與等離子體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程和激光與等離子體的能量耦合關(guān)系，可以更為真實(shí)反映出焊接過(guò)程中能量的傳輸和轉(zhuǎn)換。2)本發(fā)明利用實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)際數(shù)據(jù)修正能量轉(zhuǎn)換的比例分配系數(shù)，并利用熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算得出的小孔形狀函數(shù)修正能量耦合系數(shù)， 是一種自洽性模型。3)本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于研究激光深熔焊接過(guò)程，特別是計(jì)算激光深熔焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，分析熔池流態(tài)，同時(shí)在分析激光深熔焊接的等離子體溫度場(chǎng)和密度分布的數(shù)值模擬中也可以得到很好的應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明模型的有限元實(shí)現(xiàn)流程圖。圖2是激光束焦點(diǎn)功率密度分布圖。圖3是激光光斑半徑與離焦量的關(guān)系。圖4是本發(fā)明計(jì)算的焊接溫度場(chǎng)，其中(a)為焊縫表面溫度分布，(b)為焊縫截面溫度分布。圖5是本發(fā)明計(jì)算的焊接應(yīng)力分布，其中(a)為焊縫橫向應(yīng)力分布，(b)為焊縫縱向應(yīng)力分布。圖6是本發(fā)明計(jì)算的小孔形態(tài)。圖7是本發(fā)明與其它模型焊縫計(jì)算結(jié)果的比對(duì)。
具體實(shí)施例方式附圖非限制性地公開(kāi)了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。I)用相關(guān)測(cè)試儀器測(cè)量激光的功率、功率密度、發(fā)射角和光斑直徑，在焊接過(guò)程中選取熔池和等離子體區(qū)域一系列特定點(diǎn)為參考點(diǎn)溫度，并測(cè)量記錄這些實(shí)際測(cè)量值和材料的相關(guān)物理性能特征值；2)按理論計(jì)算并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Φ ΦΒ Φν)的取值范圍，并設(shè)置初始值，并由用戶(hù)自定義增量步長(zhǎng)；3)按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算』A1)的取值范圍，并設(shè)置初始值，并由用戶(hù)給自定義增量步長(zhǎng)；4)根據(jù)激光焊接的質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和質(zhì)量方程等控制方程，按實(shí)際的焊接環(huán)境和材料特性給定邊界條件(如傳導(dǎo)、對(duì)流等初始值和終了值的處理結(jié)果，這也是熱傳導(dǎo)計(jì)算時(shí)是常用的一種處理方法)，利用數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；5)將計(jì)算的溫度場(chǎng)相應(yīng)點(diǎn)的值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值之差的絕對(duì)值與用戶(hù)自定義誤差值S1比較，若大于返回Φ (Φρ Φ Φ)的變量賦值，需進(jìn)行下一個(gè)增量步計(jì)算；若小于L，轉(zhuǎn)入下一步驟的計(jì)算；6)根據(jù)步驟4)中計(jì)算的溫度場(chǎng)的分布曲線，提取固-液界面的溫度值，確定熔池形狀；7)在熔池中，根據(jù)小孔壁面上的力平衡方程，計(jì)算小孔形狀函數(shù)；8)將小孔邊界溫度與溫度場(chǎng)中氣-液界面溫度之差的絕對(duì)值與用戶(hù)自定義誤差值S2比較確定。若大于，返回』P-的變量賦值，需進(jìn)行下一個(gè)增量步計(jì)算； 若小于轉(zhuǎn)入下一步驟的計(jì)算；9)計(jì)算用戶(hù)需要的結(jié)果。下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。焊接材料選取6061鋁合金，尺寸為100imX50imX10im，激光器選用C O 2激光器， 光束直徑Φ = 17mm,模式為T(mén)EM00,光束質(zhì)量參數(shù)尤彡O. 95,Kf = 3. 7mm .mrad,采用焦距 f 二300mm的銅拋物鏡聚焦，焦斑直徑D = 268//選取激光功率ΜΟΛΤ，采用UFlOO條光斑診斷儀測(cè)量激光相關(guān)參數(shù)如圖2、圖3所示·，6061鋁合金的相關(guān)物理參數(shù)如下表所示
權(quán)利要求
1.一種激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，其特征在于，包括以下步驟(I)、測(cè)量激光的表征參數(shù)、選取熔池和等離子體區(qū)域的參考點(diǎn)、測(cè)量激光熔深焊接過(guò)程中參考點(diǎn)的溫度；所述激光的表征參數(shù)至少包括激光的功率、功率密度、發(fā)射角以及光斑直徑；(2)、首先，分別采用特征變量函數(shù)Φ (Φρ Φ Φ)表征激光輸入能量的分配系數(shù)、特征變量函數(shù)』P，表征等離子體-熔池與激光-熔池的耦合系數(shù)，其中'Φρ、ΦΗ、Κ 分別是維系光致等離子體的能量、作用在小孔壁上的能量、其他損失能量與激光輸入能量的比值，Φρ+ΦΗ +Φπ=\ ;且七、的取值均在0-1之間；然后分別對(duì)Φ (φρ ΦΒ Φ J、 』^1)設(shè)置初始值以及相應(yīng)的增量步長(zhǎng)；(3)、根據(jù)激光熔深焊接的控制方程，給定相應(yīng)激光熔深焊接的邊界條件，以計(jì)算出激光熔深焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；(4)、根據(jù)步驟(3)所計(jì)算出的溫度場(chǎng)，獲取各參考點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算值后，將各參考點(diǎn)的溫度計(jì)算值和步驟(I)中相應(yīng)參考點(diǎn)的溫度測(cè)量值之差的絕對(duì)值δ與預(yù)設(shè)誤差值L進(jìn)行比較若大于返回步驟(2)進(jìn)行Φ (Φρ ΦΒ Φ)的變量賦值，繼續(xù)下一個(gè)增量步計(jì)算；若小于δ” 轉(zhuǎn)入下一步驟的計(jì)算；(5)、根據(jù)溫度場(chǎng)的分布，計(jì)算熔池形狀；(6)、根據(jù)小孔壁面上的力平衡方程，計(jì)算小孔形狀函數(shù)；(7)將小孔邊界溫度與步驟(3)所述溫度場(chǎng)中氣液界面溫度之差的絕對(duì)值與預(yù)設(shè)誤差值比較，若大于返回步驟(2)進(jìn)行』^1)的變量賦值，繼續(xù)下一個(gè)增量步計(jì)算；若小于轉(zhuǎn)入下一步驟的計(jì)算；(8)、輸出計(jì)算結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，通過(guò)該方法所建立的激光熔深焊接模型，與現(xiàn)有的點(diǎn)熱源模型、面熱源模型、體積熱源模型相比，能夠更為真實(shí)地反映出激光熔深焊接過(guò)程中能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，與實(shí)際的焊縫更為接近，同時(shí)該模型也是一種自洽性模型，在分析激光深熔焊接的等離子體溫度場(chǎng)和密度分布的數(shù)值模擬中也可以得到很好的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K26/20GK102608918SQ20121003848
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者周小衛(wèi), 張盛海, 李博, 沈以赴 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)