CN102608918A - 激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，通过该方法所建立的激光熔深焊接模型，与现有的点热源模型、面热源模型、体积热源模型相比，能够更为真实地反映出激光熔深焊接过程中能量的传输和转换，与实际的焊缝更为接近，同时该模型也是一种自洽性模型，在分析激光深熔焊接的等离子体温度场和密度分布的数值模拟中也可以得到很好的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光熔深焊接过程中的能量转换与传热模型的建立方法，属于焊接数值模拟领域。
背景技术
激光焊接的数值模拟技术已成为分析激光焊接热力学、动力学过程及温度场、应力场、变形与组织预测的重要手段。激光焊接数值模拟技术的关键就是建立合理的能量转换及传热模型。目前激光深熔焊接的热源模型主要有线热源、面热源、体积热源模型及点、线、面、体积相结合的复合热源模型。这些模型大多不考虑激光与光致等离子体之间的能量转换与耦合，未考虑激光、等离子体与材料作用的特点，将激光与等离子体的作用均简单处理为热作用；多数模型没有考虑熔池液相的流动对小孔和熔池形貌的影响，也没有建立小孔形态和热源模型的关系，未经热力学与动力学计算分析，直接将热源的边界抽象成直线、圆柱形、锥形或其他曲线。实际上，激光对材料的作用机制和等离子体对材料作用的机制本质上不同，在小孔形成前，材料直接从激光获取能量，在小孔形成后，激光提供维系等离子体的能量，同时，在焊接过程中和等离子体一直处于能量耦合状态，并且一起提供产生维系小孔的气团能量。小孔的边界一直是激光与等离子体的主要作用区域，并且小孔的形态直接关系到能量的作用面积，与能量的转换和耦合密切相关，和热源模型的边界应该有着紧密的依赖关系，因此，这些模型与实际情况相比，还有明显的偏差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法。通过该方法所建立的激光熔深焊接模型，与现有的点热源模型、面热源模型、体积热源模型相比，能够更为真实地反映出激光熔深焊接过程中能量的传输和转换，与实际的焊缝更为接近，同时该模型也是一种自洽性模型。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，包括以下步骤：（1）、测量激光的表征参数、选取熔池和等离子体区域的参考点、测量激光熔深焊接过程中参考点的温度；所述激光的表征参数至少包括激光的功率、功率密度、发射角以及光斑直径；（2）、首先，分别采用特征变量函数φ(Φ p ,φ H ,φ w )表征激光输入能量的分配系数、特征变量函数λ(λ p ,λ L )表征等离子体-熔池与激光-熔池的耦合系数，其中：Φ p 、φ H 、φ w 分别是维系光致等离子体的能量、作用在小孔壁上的能量、其他损失能量与激光输入能量的比值，Φp+φH +φw=1；λ p 、λ L 分别是……，且λ p 、λ L 的取值均在0-1之间；然后分别对φ(Φ p ,φ H ,φ w )、λ(λ p ,λ L )设置初始值以及相应的增量步长；（3）、根据激光熔深焊接的控制方程，给定相应激光熔深焊接的边界条件，以计算出激光熔深焊接的温度场和应力场；（4）、根据步骤（3）所计算出的温度场，获取各参考点所对应的温度计算值后，将各参考点的温度计算值和步骤（1）中相应参考点的温度测量值之差的绝对值δ与预设误差值δ 1 进行比较：若大于δ 1 ，返回步骤（2）进行φ(Φ p ,φ H ,φ w ) 的变量赋值，继续下一个增量步计算；若小于δ 1 ，转入下一步骤的计算；（5）、根据温度场的分布，计算熔池形状；（6）、根据小孔壁面上的力平衡方程，计算小孔形状函数；（7）将小孔边界温度与步骤（3）所述温度场中气液界面温度之差的绝对值与预设误差值δ 2 比较，若大于δ 2 ，返回步骤（2）进行λ(λ p ,λ L ) 的变量赋值，继续下一个增量步计算；若小于δ 2 ，转入下一步骤的计算；（8）、输出计算结果。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
本发明由于采取以上技术方案，具有如下优点：1）本发明在激光焊接数值模拟建模时，充分考虑激光与等离子体的能量转换过程和激光与等离子体的能量耦合关系，可以更为真实反映出焊接过程中能量的传输和转换。2）本发明利用实验获得实际数据修正能量转换的比例分配系数，并利用热力学与动力学方程计算得出的小孔形状函数修正能量耦合系数，是一种自洽性模型。3）本发明可以广泛应用于研究激光深熔焊接过程，特别是计算激光深熔焊接的温度场和应力场，分析熔池流态，同时在分析激光深熔焊接的等离子体温度场和密度分布的数值模拟中也可以得到很好的应用。
附图说明
图1是本发明模型的有限元实现流程图。
图2是激光束焦点功率密度分布图。
图3是激光光斑半径与离焦量的关系。
图4是本发明计算的焊接温度场，其中：（a）为焊缝表面温度分布，（b）为焊缝截面温度分布。
图5是本发明计算的焊接应力分布，其中：（a）为焊缝横向应力分布，（b）为焊缝纵向应力分布。
图6是本发明计算的小孔形态。
图7是本发明与其它模型焊缝计算结果的比对。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
1)用相关测试仪器测量激光的功率、功率密度、发射角和光斑直径，在焊接过程中选取熔池和等离子体区域一系列特定点为参考点温度，并测量记录这些实际测量值和材料的相关物理性能特征值；2)按理论计算并结合经验公式计算φ(Φ p ,φ H ,φ w ) 的取值范围，并设置初始值，并由用户自定义增量步长；3)按经验公式计算λ(λ p ,λ L ) 的取值范围，并设置初始值，并由用户给自定义增量步长；4)根据激光焊接的质量方程、动量方程和质量方程等控制方程，按实际的焊接环境和材料特性给定边界条件（如传导、对流等初始值和终了值的处理结果，这也是热传导计算时是常用的一种处理方法），利用数值模拟技术计算温度场和应力场；5)将计算的温度场相应点的值和实验测量值之差的绝对值与用户自定义误差值δ 1 比较，若大于δ 1 ，返回φ(Φ p ,φ H ,φ w ) 的变量赋值，需进行下一个增量步计算；若小于δ 1 ，转入下一步骤的计算；6)根据步骤4）中计算的温度场的分布曲线，提取固-液界面的温度值，确定熔池形状；7)在熔池中，根据小孔壁面上的力平衡方程，计算小孔形状函数；8)将小孔边界温度与温度场中气-液界面温度之差的绝对值与用户自定义误差值δ 2 比较确定。若大于δ 2 ，返回λ(λ p ,λ L ) 的变量赋值，需进行下一个增量步计算；若小于δ 2 ，转入下一步骤的计算；9）计算用户需要的结果。
下面通过具体实施例对本发明建立的模型进行验证。
焊接材料选取6061铝合金，尺寸为100mmX50mmX10mm，激光器选用ＣＯ 2激光器，光束直径φ＝17mm,模式为TEM 00,光束质量参数Ｋ≥0.95,K f ＝3.7mm·mrad,采用焦距ｆ=300mm的铜抛物镜聚焦,焦斑直径D＝268μm。选取激光功率2000W，采用UF100光束光斑诊断仪测量激光相关参数如图2、图3所示；6061铝合金的相关物理参数如下表所示：
| 名称 | 符号 | 单位 | 数值 |
| 固相温度 | T S | ℃ | 600 |
| 液相温度 | T L | ℃ | 650 |
| 气相温度 | T G | ℃ | 2467 |
| 粘度系数 | μ | Kgf．s/m 2 | 0.001 |
| 固相热导率 | k | J/(m·s·K | 168 |
| 液相比热 | c | J/(kg·K) | 1066 |
| 密度 | ρ | kg/m 3 | 2700 |
| 熔化潜热 | L | J/kg | 3.95×105 |
| 热膨胀系数 | β | K -1 | 10-4 |
| 磁导率 | μ 0 | H/m | 1.26×10-6 |
| 第一电离能 | I 1 | KJ·mol -1 | 577.6 |
| 第二电离能 | I 2 | KJ·mol -1 | 1817 |
| 第三电离能 | I 3 | KJ·mol -1 | 2745 |
采用红外测温仪测量熔池参考点（为了计算需要而选取一些点作为修正值，取修正计算结果，真实值与计算值比较，也决定计算过程是否合理，是否可以使计算循环终止）的值，等离子体温度由光谱分析仪分析计算后得出，将结果输入模型；2)按理论计算并结合经验公式计算φ(Φ p ,φ H ,φ w ) 的取值范围，设置初始值为（0.50,0.40,0.10），定义步长0.01，定义误差δ 1 为30℃；3)，按经验公式计算λ(λ p ,λ L ) 的取值范围，设置初始值（0.75,0.60），定义步长0.01，定义误差δ 2 为70℃；4)根据激光焊接的质量方程、动量方程和质量方程等控制方程，按实际的焊接环境和材料特性给定边界条件，利用数值模拟技术计算温度场和应力场，数值模拟采用有限元软件Abaqus完成，温度场如图4所示，应力分布如图5所示；5)将计算的温度场相应点的值和实验测量值之差的绝对值与用户自定义误差值δ 1 比较，若大于δ 1 ，返回φ(Φ p ,φ H ,φ w ) 的变量赋值，需进行下一个增量步计算；若小于δ 1 ，转入下一步骤的计算；6)根据第4）步计算的温度场的分布曲线，提取固-液界面的温度值，确定熔池形状；7)在熔池中，根据小孔壁面上的力平衡方程，计算小孔形状函数，确定小孔形状，如图6所示；8)将小孔边界温度与温度场中气-液界面温度之差的绝对值与用户自定义误差值δ 2 比较确定。若大于δ 2 ，返回λ(λ p ,λ L ) 的变量赋值，需进行下一个增量步计算；若小于δ 2 ，转入下一步骤的计算；9）计算用户需要的结果。
如图7所示为用本模型计算焊缝界面的结果与同种条件下采用点热源模型、面热源模型和体积热源模型的结果比较。从图可以看出本发明提供的能量耦合自洽模型的计算结果与实际焊缝更为接近，因此本发明提供的模型与实际情况跟为符合，在激光深熔焊接过程的计算模拟中能提高计算结果的精度。
Claims (1)
1.一种激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、测量激光的表征参数、选取熔池和等离子体区域的参考点、测量激光熔深焊接过程中参考点的温度；所述激光的表征参数至少包括激光的功率、功率密度、发射角以及光斑直径；（2）、首先，分别采用特征变量函数φ(Φ p ,φ H ,φ w )表征激光输入能量的分配系数、特征变量函数λ(λ p ,λ L )表征等离子体-熔池与激光-熔池的耦合系数，其中：Φ p 、φ H 、φ w 分别是维系光致等离子体的能量、作用在小孔壁上的能量、其他损失能量与激光输入能量的比值，Φp+φH +φw=1；且λ p 、λ L 的取值均在0-1之间；然后分别对φ(Φ p ,φ H ,φ w )、λ(λ p ,λ L )设置初始值以及相应的增量步长；（3）、根据激光熔深焊接的控制方程，给定相应激光熔深焊接的边界条件，以计算出激光熔深焊接的温度场和应力场；（4）、根据步骤（3）所计算出的温度场，获取各参考点所对应的温度计算值后，将各参考点的温度计算值和步骤（1）中相应参考点的温度测量值之差的绝对值δ与预设误差值δ 1 进行比较：若大于δ 1 ，返回步骤（2）进行φ(Φ p ,φ H ,φ w ) 的变量赋值，继续下一个增量步计算；若小于δ 1 ，转入下一步骤的计算；（5）、根据温度场的分布，计算熔池形状；（6）、根据小孔壁面上的力平衡方程，计算小孔形状函数；（7）将小孔边界温度与步骤（3）所述温度场中气液界面温度之差的绝对值与预设误差值δ 2 比较，若大于δ 2 ，返回步骤（2）进行λ(λ p ,λ L ) 的变量赋值，继续下一个增量步计算；若小于δ 2 ，转入下一步骤的计算；（8）、输出计算结果。
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