CN103020373B - 一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法，包括焊接模型的建立、叠加热源载荷施加、计算运行和结果显示。本发明通过在ProCAST有限元软件中加载自定义外加平面分布的高斯热源与等离子体点热源的叠加模型，利用ProCAST软件对钢/铝异种金属激光焊接温度场的分布进行数值模拟，得到焊接温度场云图、焊缝附近点的热循环曲线，预测焊件各点的温度，对准确认识钢/铝激光焊接温度场的分布规律、控制焊接质量和使用性能提供理论指导和技术支持。

Description

一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体为一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法。

背景技术

汽车轻量化已成为21世纪汽车技术的前沿和热点，大量轻质材料在车身上的使用对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。对汽车车身多材料结构而言，激光焊接具有能量密度高、热量集中、焊缝深宽比大、热影响区窄、自动化程度高等诸多优点，是钢/铝异种金属的理想焊接方法，然而激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近加热或冷却过程中温度梯度较大，因此准确认识激光焊接温度场的分布规律，对控制焊接质量和使用性能具有重要现实意义。

目前大多是采用有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟，其在热源模型选取、材料未知温度范围内热物理参数的确定、等离子体对温度场的影响等研究方面存在较多难点。常用的有限元软件有Ansys、Sysweld、Phoenics等。Ansys为通用有限元软件，缺乏材料未知温度范围内热物理参数的数据库，Sysweld虽为焊接软件专家，但涉及知识产权问题，性价比低，而Phoenics软件则在编程方面要求较高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法，其中ProCAST软件拥有工业验证的热物理材料参数数据库和标准化通用界面，可加载自定义热源载荷，适合钢/铝异种金属激光焊接温度场的数值模拟与计算，以此来解决上述背景技术中的难点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法，包括以下步骤：

(1)焊接模型的建立：从UG中导出焊接实体模型，生成网格后，将模型导入ProCAST软件的PreCAST模块中，设置焊材参数、初始条件及边界条件、相变潜热、设置运行参数，完成建模模型；

其中：相变潜热在ProCAST模拟计算中，利用等效比热容法处理相变潜热，按下数学式计算:

式中:C为不考虑相变潜热时的比热容，ΔQ为凝固温度范围，ΔT为相变潜热；

(2)叠加热源载荷施加：根据实际激光焊接工艺特点，利用C++程序，编写由高斯面热源和等离子体点热源的叠加热源q以及驱动外部计算文件.c；

(3)计算运行：在ProCAST求解模块中，DataCAST模块将步骤(1)中建模模型的ASCII转换成二进制码供ProCAST运行求解器的计算使用，同时通过由驱动外部计算文件.c作为通信串口，调用步骤(2)中自定义的叠加热源q；在模拟计算中，激光光斑中心点沿激光头移动方向向前移动位移Δs，其中Δs＝时间步长*速度，即用跳跃式小步长模拟连续激光加载，此时以移动中的光斑中心点位置为圆心，通过外部调用叠加热源q函数程序对位于光斑区域内的节点进行识别和取点，并分别在数值模拟计算的开始和结束以及计算中每一个时间步长的开始和结束时调用该函数程序，由驱动外部计算文件.c作为通信串口进行链接求解后将不同时刻的温度场进行叠加，从而模拟计算出节点各个时刻的温度场；计算出该单元一个节点后，其余节点温度近似获得，即将空间域离散到时间域按步长循环加载，用离散的点逼近连续的时空域，得到数值模拟的温度场；

(4)结果显示：调用ProCAST的ViewCAST模块获得不同时刻的温度场分布云图、焊缝附近点的热循环图和预测焊件各点的温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在ProCAST有限元软件中加载自定义外加平面分布的高斯热源与等离子体点热源的叠加模型，利用ProCAST软件对钢/铝异种金属激光焊接温度场的分布进行数值模拟，得到焊接温度场云图、焊缝附近点的热循环曲线，预测焊件各点的温度，对准确认识钢/铝激光焊接温度场的分布规律、控制焊接质量和使用性能提供理论指导和技术支持。

附图说明

图1是本发明的总流程图。

图2是ProCAST中过渡网格及边界条件图。

图3是ProCAST数值模拟中6016铝合金的热物理参数图。

图4是ProCAST数值模拟中DC51D+ZF镀锌钢的热物理参数图。

图5是ProCAST在Step＝150时的模拟温度场云图(功率2kw、速度30mm/s光斑半径0.9mm)。

图6是ProCAST在Step＝650时的模拟温度场云图(工艺条件同图5)。

图7是ProCAST在Step＝870时的模拟温度场云图(工艺条件同图5)。

图8是ProCAST在Step＝1560时的模拟温度场云图(工艺条件同图5)。

图9是ProCAST在Step＝1560时焊缝及附近处的温度梯度图(工艺条件同图5)。

图10是ProCAST在Step＝1560时焊缝及附近处的热循环图(工艺条件同图5)。

图11是ProCAST模拟最高温度与实测温度的比较图(工艺条件同图5)。

具体实施方式

下面举例对本发明进行详细阐述。

1、钢/铝激光焊接温度场的数值模拟

(1)模型的建立：

在UG中建立模型，模型尺寸40mm×20mm×1.0mm和40mm×20mm×1.4mm，保存为Parasolid格式的中间文件，在MeshCAST前处理模块中读取；在网格环境中设置不同区域网格长度，分别生成面、体网格，并检查网格坏单元、网格中交叉重叠部分、钝角度，直到得到光滑平整的网格，导入MeshCAST后处理模块，产生有限元网格，生成的节点总数为11764，四面体单元总数为56221。

(2)初始及边界条件：

初始温度设为环境温度；由于对称性，焊接的对称面考虑为绝热边界条件；光斑扫描方向的区域选择施加热流q；其余面均施加表面对流边散热，换热系数选取10W/(m².k)。

(3)材料的热物理性能参数：

利用ProCAST有限元软件的经过工业验证的热力学数据库，基于基体金属与合金成分，获取6016铝合金、DC51D+ZF镀锌钢的密度、比热容和热导率等热物理参数随温度变化的值。

(4)相变潜热：

在ProCAST模拟计算中，利用等效比热容法处理相变潜热，按下数学式计算: $C_P=C+\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}T}$

式中:C为不考虑相变潜热时的比热容，ΔQ为凝固温度范围，ΔT为相变潜热；

(5)热源模型：

由C++编写高斯面热源以及等离子体点热源的叠加载荷。

(6)激光的吸收率：

利用ProCAST软件对钢/铝异种金属激光焊接温度场的分布进行数值模拟，激光的吸收率通过调整有效功率来获得。

(7)数值模拟计算：

激光功率为P＝2kw，工件移动速度即焊接速度为V＝30mm/s，热效率为a＝0.48；计算时焊缝长为L＝40mm，焊接时间为t＝L/V＝1.33S；设置起始时间步长为1×10^-3S，计算总步数为2000步。

(8)结果输出：

调用ProCAST的ViewCAST模块，得到钢/铝焊接的温度场分布云图、焊缝中心及其附近点的热循环及焊件各点的温度。

2、实验实验

试验采用最大输出功率4kw的YLR-4000镱光纤激光器及ABB五轴联动激光焊接机器人；采用PRICIETER的焊接接头，光钎芯径30μm，保护气体为Ar气，气体流量为15L/min；采用6016铝合金和DC51D+ZF镀锌钢板材，试样的尺寸分别为40mm×20mm×1.0mm和40mm×20mm×1.4mm。进行激光搭接焊试验时，焊接速度为30mm/s，输出功率为1.98kw，光斑半径为0.9mm，母材表面涂均匀石墨层。为保证测试温度的灵敏性，采用美国国家仪器(NI)公司4351高精度温度采集卡，高清K型热电偶。焊前用240号砂纸打磨，除去热作用区域氧化膜，同时增加表面粗糙度，以增加激光能量吸收率。用纯度为99.5％的丙酮清洗除去油污，晾干待焊。

结果表明：基于ProCAST数值模拟得到工件表面距焊缝中心不同位置的温度，与激光焊接时以热电偶为温度传感器的计算机采集系统试验检测的温度基本吻合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于ProCAST数值模拟钢/铝激光焊接温度场的方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）焊接模型的建立：从UG中导出焊接实体模型，生成网格后，将模型导入ProCAST软件的PreCAST模块中，设置焊材参数、初始条件及边界条件、相变潜热、设置运行参数，完成建模模型；

其中：相变潜热在ProCAST模拟计算中，利用等效比热容法处理相变潜热，按下数学式计算:

式中:C为不考虑相变潜热时的比热容，ΔQ为凝固温度范围，ΔT为相变潜热；

（2）叠加热源载荷施加：根据实际激光焊接工艺特点，利用C++程序，编写由高斯面热源和等离子体点热源的叠加热源q以及驱动外部计算文件.c；

（3）计算运行：在ProCAST求解模块中，DataCAST模块将步骤（1）中建模模型的ASCII转换成二进制码供ProCAST运行求解器的计算使用，同时通过由驱动外部计算文件.c作为通信串口，调用步骤（2）中自定义的叠加热源q；在模拟计算中，激光光斑中心点沿激光头移动方向向前移动位移Δs，其中Δs=时间步长*速度，即用跳跃式小步长模拟连续激光加载，此时以移动中的光斑中心点位置为圆心，通过外部调用叠加热源q函数程序对位于光斑区域内的节点进行识别和取点，并分别在数值模拟计算的开始和结束以及计算中每一个时间步长的开始和结束时调用该函数程序，由驱动外部计算文件.c作为通信串口进行链接求解后将不同时刻的温度场进行叠加，从而模拟计算出节点各个时刻的温度场；计算出该单元一个节点后，其余节点温度近似获得，即将空间域离散到时间域按步长循环加载，用离散的点逼近连续的时空域，得到数值模拟的温度场；

（4）结果显示：调用ProCAST的ViewCAST模块获得不同时刻的温度场分布云图、焊缝附近点的热循环图和预测焊件各点的温度。