專利名稱：激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法
技術領域：
本發明涉及一種激光熔深焊接過程中的能量轉換與傳熱模型的建立方法，屬于焊接數值模擬領域。
背景技術：
激光焊接的數值模擬技術已成為分析激光焊接熱力學、動力學過程及溫度場、應力場、變形與組織預測的重要手段。激光焊接數值模擬技術的關鍵就是建立合理的能量轉換及傳熱模型。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、 線、面、體積相結合的復合熱源模型。這些模型大多不考慮激光與光致等離子體之間的能量轉換與耦合，未考慮激光、等離子體與材料作用的特點，將激光與等離子體的作用均簡單處理為熱作用；多數模型沒有考慮熔池液相的流動對小孔和熔池形貌的影響，也沒有建立小孔形態和熱源模型的關系，未經熱力學與動力學計算分析，直接將熱源的邊界抽象成直線、 圓柱形、錐形或其他曲線。實際上，激光對材料的作用機制和等離子體對材料作用的機制本質上不同，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，在焊接過程中和等離子體一直處于能量耦合狀態，并且一起提供產生維系小孔的氣團能量。小孔的邊界一直是激光與等離子體的主要作用區域，并且小孔的形態直接關系到能量的作用面積，與能量的轉換和耦合密切相關，和熱源模型的邊界應該有著緊密的依賴關系，因此，這些模型與實際情況相比，還有明顯的偏差。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法。通過該方法所建立的激光熔深焊接模型，與現有的點熱源模型、面熱源模型、體積熱源模型相比，能夠更為真實地反映出激光熔深焊接過程中能量的傳輸和轉換，與實際的焊縫更為接近，同時該模型也是一種自洽性模型。為實現以上的技術目的，本發明將采取以下的技術方案
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)、測量激光的表征參數、選取熔池和等離子體區域的參考點、測量激光熔深焊接過程中參考點的溫度； 所述激光的表征參數至少包括激光的功率、功率密度、發射角以及光斑直徑；(2)、首先， 分別采用特征變量函數Φ(ΦΡ Φ Φ)表征激光輸入能量的分配系數、特征變量函數 』P，A1)表征等離子體-熔池與激光-熔池的耦合系數，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
Φ(ΦΡ Φ Φ》、』^1)設置初始值以及相應的增量步長；(3)、根據激光熔深焊接的控制方程，給定相應激光熔深焊接的邊界條件，以計算出激光熔深焊接的溫度場和應力場；
(4)、根據步驟(3)所計算出的溫度場，獲取各參考點所對應的溫度計算值后，將各參考點的溫度計算值和步驟(I)中相應參考點的溫度測量值之差的絕對值S與預設誤差值S1
3進行比較若大于返回步驟(2)進行Φ(Φ泛ΦΒ Φ)的變量賦值，繼續下一個增量步計算；若小于L，轉入下一步驟的計算；(5)、根據溫度場的分布，計算熔池形狀；(6)、根據小孔壁面上的力平衡方程，計算小孔形狀函數；(7)將小孔邊界溫度與步驟(3)所述溫度場中氣液界面溫度之差的絕對值與預設誤差值L比較，若大于返回步驟(2)進行 ^ ^1)的變量賦值，繼續下一個增量步計算；若小于轉入下一步驟的計算；(8)、 輸出計算結果。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果
本發明由于采取以上技術方案，具有如下優點1)本發明在激光焊接數值模擬建模時， 充分考慮激光與等離子體的能量轉換過程和激光與等離子體的能量耦合關系，可以更為真實反映出焊接過程中能量的傳輸和轉換。2)本發明利用實驗獲得實際數據修正能量轉換的比例分配系數，并利用熱力學與動力學方程計算得出的小孔形狀函數修正能量耦合系數， 是一種自洽性模型。3)本發明可以廣泛應用于研究激光深熔焊接過程，特別是計算激光深熔焊接的溫度場和應力場，分析熔池流態，同時在分析激光深熔焊接的等離子體溫度場和密度分布的數值模擬中也可以得到很好的應用。
圖I是本發明模型的有限元實現流程圖。圖2是激光束焦點功率密度分布圖。圖3是激光光斑半徑與離焦量的關系。圖4是本發明計算的焊接溫度場，其中(a)為焊縫表面溫度分布，(b)為焊縫截面溫度分布。圖5是本發明計算的焊接應力分布，其中(a)為焊縫橫向應力分布，(b)為焊縫縱向應力分布。圖6是本發明計算的小孔形態。圖7是本發明與其它模型焊縫計算結果的比對。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。I)用相關測試儀器測量激光的功率、功率密度、發射角和光斑直徑，在焊接過程中選取熔池和等離子體區域一系列特定點為參考點溫度，并測量記錄這些實際測量值和材料的相關物理性能特征值；2)按理論計算并結合經驗公式計算Φ ΦΒ Φν)的取值范圍，并設置初始值，并由用戶自定義增量步長；3)按經驗公式計算』A1)的取值范圍，并設置初始值，并由用戶給自定義增量步長；4)根據激光焊接的質量方程、動量方程和質量方程等控制方程，按實際的焊接環境和材料特性給定邊界條件(如傳導、對流等初始值和終了值的處理結果，這也是熱傳導計算時是常用的一種處理方法)，利用數值模擬技術計算溫度場和應力場；5)將計算的溫度場相應點的值和實驗測量值之差的絕對值與用戶自定義誤差值S1比較，若大于返回Φ (Φρ Φ Φ)的變量賦值，需進行下一個增量步計算；若小于L，轉入下一步驟的計算；6)根據步驟4)中計算的溫度場的分布曲線，提取固-液界面的溫度值，確定熔池形狀；7)在熔池中，根據小孔壁面上的力平衡方程，計算小孔形狀函數；8)將小孔邊界溫度與溫度場中氣-液界面溫度之差的絕對值與用戶自定義誤差值S2比較確定。若大于，返回』P-的變量賦值，需進行下一個增量步計算； 若小于轉入下一步驟的計算；9)計算用戶需要的結果。下面通過具體實施例對本發明建立的模型進行驗證。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TEM00,光束質量參數尤彡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條光斑診斷儀測量激光相關參數如圖2、圖3所示·，6061鋁合金的相關物理參數如下表所示
權利要求
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)、測量激光的表征參數、選取熔池和等離子體區域的參考點、測量激光熔深焊接過程中參考點的溫度；所述激光的表征參數至少包括激光的功率、功率密度、發射角以及光斑直徑；(2)、首先，分別采用特征變量函數Φ (Φρ Φ Φ)表征激光輸入能量的分配系數、特征變量函數』P，表征等離子體-熔池與激光-熔池的耦合系數，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Φ (φρ ΦΒ Φ J、 』^1)設置初始值以及相應的增量步長；(3)、根據激光熔深焊接的控制方程，給定相應激光熔深焊接的邊界條件，以計算出激光熔深焊接的溫度場和應力場；(4)、根據步驟(3)所計算出的溫度場，獲取各參考點所對應的溫度計算值后，將各參考點的溫度計算值和步驟(I)中相應參考點的溫度測量值之差的絕對值δ與預設誤差值L進行比較若大于返回步驟(2)進行Φ (Φρ ΦΒ Φ)的變量賦值，繼續下一個增量步計算；若小于δ” 轉入下一步驟的計算；(5)、根據溫度場的分布，計算熔池形狀；(6)、根據小孔壁面上的力平衡方程，計算小孔形狀函數；(7)將小孔邊界溫度與步驟(3)所述溫度場中氣液界面溫度之差的絕對值與預設誤差值比較，若大于返回步驟(2)進行』^1)的變量賦值，繼續下一個增量步計算；若小于轉入下一步驟的計算；(8)、輸出計算結果。
全文摘要
本發明公開了一種激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，通過該方法所建立的激光熔深焊接模型，與現有的點熱源模型、面熱源模型、體積熱源模型相比，能夠更為真實地反映出激光熔深焊接過程中能量的傳輸和轉換，與實際的焊縫更為接近，同時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和密度分布的數值模擬中也可以得到很好的應用。
文檔編號B23K26/20GK102608918SQ20121003848
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者周小衛, 張盛海, 李博, 沈以赴 申請人:南京航空航天大學