CN103761374A - 一种激光深熔焊热源模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光深熔焊热源模型的建模方法，建立T型接头实体模型，建模时综合考虑焊缝区材料属性，及网格顺序划分问题将焊缝区建为3个体，盖板焊缝区，空气膜焊缝区，芯板焊缝区；基于ANSYS，顺序划分网格，优先划分焊缝区；建立三维激光深熔焊热源模型，基于ＡＰＤＬ，求解单元热值，热源模型控制方程为：

其中，x，y，z为笛卡尔坐标，Q_M为热源峰值，r₁激光找在材料表面的有效半径ｒ₂，H₁为热源形状参数，Ｈ₀热源上部分高度，Ｈ为焊缝实际熔深，按次热源模型求解热值，存储到数组中，基于ANSYS软件，将求解热值，加载到有限元模型的相应单元，设置边界条件，计算求解，完成建模过程。

Description

一种激光深熔焊热源模型的建模方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，特别涉及激光焊接中深熔焊的热源模型的建模方法。

背景技术

激光焊接具有能量集中、深宽比大、热影响区小、变形小、适应能力强、焊接质量高等优点。因此在工业领域得到广泛应用，特别是在汽车、船舶、航空航天的轻量化过程中有着不可替代的优势。激光焊接可以获得较大的深宽比，从而可以实现T型接头的深熔焊。激光焊接涉及激光与材料的相互作用，小孔效应，等离子体效应，材料热物理属性，焊接熔池的传热和传质，等多变量、多耦合现象，***的实验研究费时、费力。现实中，由于激光的局部加热，在熔池及其附近激光与材料相互作用，数据不可能测量。所以，模拟是激光焊接技术中获取必要信息和预测焊接温度场分布的唯一有效方法。

建立合理的热源模型是焊接数值模拟结果准确、可靠的前提。对于激光深熔焊来说，激光热量集中，其功率密度高于10⁶W/cm²，可以在极短时间内将金属汽化，形成小孔效应。而小孔类似光学的黑体，射入的激光经多次反射后全部被吸收，此后小孔就像焊接热源一样实现焊接过程。

发明内容

本发明旨在模拟激光深熔焊的小孔效应和熔池形状。

本发明的技术方案是，一种激光深熔焊热源模型的建模方法，包括以下步骤：

第一步，建立T型接头实体模型，建模时综合考虑焊缝区材料属性，及网格顺序划分问题将焊缝区建为3个体，盖板焊缝区，空气膜焊缝区，芯板焊缝区；

第二步，基于ANSYS，顺序划分网格，优先划分焊缝区；

第三步，建立三维激光深熔焊热源模型，基于ＡＰＤＬ，求解单元热值，热源模型控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{Laser}}(x,y,z)=Q_M\exp [-\frac{9(x^2+z^2)}{r_1^2\log \left(\frac{H_1}{y}\right)}]y\≥H_0\\ q_{\mathrm{Laser}}(x,y,z)=Q_M\exp [-\frac{3(x^2+z^2)}{r_2^2}]H_0>y\≥H\\ Q_M=\frac{9\mathrm{\ηQ}}{\mathrm{\π}{r}_1^2{H}_1(1-e^{-3})}\\ H_0=H_1\exp [-3\frac{x^2+z^2}{r_2^2}]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，x，y，z为笛卡尔坐标，Q_M为热源峰值，r₁激光找在材料表面的有效半径ｒ₂，H₁为热源形状参数，Ｈ₀热源上部分高度，Ｈ为焊缝实际熔深，按次热源模型求解热值，存储到数组中，

第四步，基于ANSYS软件，将求解热值，加载到有限元模型的相应单元，设置边界条件，计算求解，完成建模过程，

激光焊接形成的温度场控制方程为：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂\left({c_p}^T\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_{\mathrm{Laser}}---\left(2\right)$

其中ρ是质量密度，Cp比热容，T是温度，t时间，κ是热传导系数，x,y,z是笛卡尔坐标，q_Laser激光热源输入的能量，

本发明建立了全新的激光深熔焊热源模型，可以很好地模拟激光深熔焊温度场。基于ＡＰＤＬ，建立实体模型，顺序划分网格，得到有限元模型；编写热源程序代码，计算热值存储于数组；设置边界条件，加载热值，计算求解。得到的Ｔ型接头激光深熔焊温度场与实验得到的结果吻合良好。与以前国内外所用较多热源进行了对比，表明本发明热源更适合激光深熔焊。且熔深越大，效果越明显。

附图说明

图1是本发明的新型激光焊接体热源模型

具体实施方式

本发明的具体实施建模步骤：

第一步，建立T型接头实体模型，建模时综合考虑焊缝区材料属性，及网格顺序划分问题将焊缝区建为3个体，盖板焊缝区，空气膜焊缝区，芯板焊缝区。

第二步，基于ANSYS，顺序划分网格。优先划分焊缝区。

第三步，建立三维激光深熔焊热源模型，基于ＡＰＤＬ，求解单元热值。

热源模型控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{Laser}}(x,y,z)=Q_M\exp [-\frac{9(x^2+z^2)}{r_1^2\log \left(\frac{H_1}{y}\right)}]y\≥H_0\\ q_{\mathrm{Laser}}(x,y,z)=Q_M\exp [-\frac{3(x^2+z^2)}{r_2^2}]H_0>y\≥H\\ Q_M=\frac{9\mathrm{\ηQ}}{\mathrm{\π}{r}_1^2{H}_1(1-e^{-3})}\\ H_0=H_1\exp [-3\frac{x^2+z^2}{r_2^2}]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，x，y，z为笛卡尔坐标，Q_M为热源峰值，r₁激光找在材料表面的有效半径ｒ₂，H₁为热源形状参数，Ｈ₀热源上部分高度，Ｈ为焊缝实际熔深，按次热源模型求解热值，存储到数组中。

第四步，基于ANSYS软件，将求解热值，加载到有限元模型的相应单元，设置边界条件，计算求解，完成建模过程。

激光焊接形成的温度场控制方程为：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂\left({c_p}^T\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_{\mathrm{Laser}}---\left(2\right)$

其中ρ是质量密度，Cp比热容，T是温度，t时间，κ是热传导系数，x,y,z是笛卡尔坐标，q_Laser激光热源输入的能量。如图1所示，是本发明的新型激光焊接体热源模型。

本发明的实验验证过程，选用的焊接工艺参数为激光功率Q=4500W，焊接速度V=25mm/s，激光的吸收效率为η=0.9，热源模型在材料表面的有效光斑半径r0=0.7mm，热源模型高度H=5.3mm，保护气体选用純氩，20L/min。

使用材料为304L不锈钢，其熔点为1450℃，沸点为2800℃。

使用ＩＰＧ  ＹＬＳ－5000型激光器，ＫＵＫＡ  ＫＲ60ＨＡ六轴机器人，实施焊接。

基于ＡＮＳＹＳ二次开发技术，实现参数化建模，选用典型的ｓｏｌｉｄ70热实体单元，采用非均匀划分技术划分网格；应用数组存储和矢量计算，实现参数化加载求解。

最后，应用国内外常用热源模型，使用同一台计算机，采用同样的算法，模拟Ｔ型接头激光深熔焊。

本发明与国内外常用热源相比可获得更好的熔宽、熔深，熔池形状与实验焊缝更吻合。

Claims (1)

1.一种激光深熔焊热源模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤： 

第一步，建立T型接头实体模型，建模时综合考虑焊缝区材料属性，及网格顺序划分问题将焊缝区建为3个体，盖板焊缝区，空气膜焊缝区，芯板焊缝区； 

第二步，基于ANSYS，顺序划分网格，优先划分焊缝区； 

第三步，建立三维激光深熔焊热源模型，基于ＡＰＤＬ，求解单元热值，热源模型控制方程为： 

其中，x，y，z为笛卡尔坐标，Q_M为热源峰值，r₁激光找在材料表面的有效半径ｒ₂，H₁为热源形状参数，Ｈ₀热源上部分高度，Ｈ为焊缝实际熔深，按次热源模型求解热值，存储到数组中， 

第四步，基于ANSYS软件，将求解热值，加载到有限元模型的相应单元，设置边界条件，计算求解，完成建模过程， 

激光焊接形成的温度场控制方程为： 

其中ρ是质量密度，Cp比热容，T是温度，t时间，κ是热传导系数，x,y,z是笛卡尔坐标，q_Laser激光热源输入的能量。 

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