CN103279630A - 激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，利用FLUENT平台，通过对激光深熔点焊形成过程中的动量、能量方程设置源项，以模拟匙孔的动态成形过程，包括：（1）设定流场域、进口、出口以及壁面的边界条件；（2）利用VOF算法寻找空气和工件的相界面；（3）对相界面施加表面张力、蒸发反作用力和激光热源、质量转移。本发明技术方案可迅速并且直观地模拟出激光点焊过程中匙孔的动态成形过程，使得分析人员利用计算机便可获取激光深熔点焊的温度场和速度场，为设计和优化焊接工艺参数提供参考。

Description

激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更加具体地说，涉及一种焊接领域的数值模拟计算方法，即一种预测和分析激光深熔点焊匙孔动态成形的数值模拟方法。

背景技术

电阻点焊是现代汽车工业中基本的装配连接方式之一，采用激光深熔点焊，可以得到窄而深的焊缝，减少缺陷的产生，充分发挥激光点焊的优势。传统的数值模拟激光深熔点焊都是采用固定的平面和体热源模型，通过寻找熔点或者沸点来模拟匙孔动态成形。而实际焊接过程中，匙孔是金属液体和空气的自由表面，激光束是直接加载在匙孔壁面上。由于传统方法没有考虑金属蒸发时产生的蒸发反作用力，和忽略了由表面张力引起的Marangoni力和蒸发潜热带来的能量损失。其得到的匙孔动态成形与实际的结果差别很大。所以匙孔成形过程中温度分布和速度分布并不准确，存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于客服现有技术的不足，提供激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，可以有效的模拟计算出不同工艺参数下动态的匙孔形状，提高研究效率。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，利用FLUENT平台，通过对激光深熔点焊形成过程中的动量、能量方程设置源项，以模拟匙孔的动态成形过程，包括：（1）设定流场域、进口、出口以及壁面的边界条件。（2）利用VOF算法寻找空气和工件的相界面。（3）对相界面施加表面张力、蒸发反作用力和激光热源、质量转移。

本发明方法具体步骤如下：

(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分四面体网格。设置压力入口、压力出口和流体域；

(2)设定瞬态计算，设定参考压力、Y向受重力作用；

(3)打开VOF模型和凝固融化模型。

(4)定义材料属性，其中工件密度选择boussinesq假设；

(5)设定空气为主相，工件为第二相；

(6)根据流场的流型选择层流模型；建立包含质量、动量和能量守恒的偏微分控制方程组；

(7)加入表面张力和质量转移项；

(8)在相界面加入激光热源、蒸发反作用力、对流和辐射；

(9)利用FLUENT软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟。

本发明提供一种激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法。可以迅速并且直观地模拟出激光点焊过程中匙孔的动态成形过程，使得分析人员利用计算机便可获取激光深熔点焊的温度场和速度场，为设计和优化焊接工艺参数提供参考。本发明方法在已有的有限体积法计算程序基础上稍作改动即可实现，使得激光深熔点焊匙孔动态成形这一复杂的焊接过程中的问题得到了简便、高效的解决，具有重要的实用价值。

附图说明

图1为本发明中激光深熔点焊匙孔动态成形过程温度分布云图。

图2为本发明中激光深熔点焊匙孔动态成形过程速度分布矢量图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明涉及的物理模型为激光焊接奥氏体不锈钢304。激光器选用Nd:YAG激光器。光束直径为0.6mm，焦距为160mm。选取激光功率1800W。工件板厚3mm，宽3mm。

空气部分为3mm×0.5mm。激光束是从工件的上表面中心处入射，热源形式为高斯热源。其主要实现步骤如下：

(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分四面体网格。设置压力入口、压力出口和流体域。

(2)将网格导入FLUENT，选中瞬态分析和重力设置。

(3)开启VOF模型，选择两相流。并打开ImplicitBody Force。

(4)开启凝固融化模型，Amush值改为1×10⁷。

(5)建立工件304的物理属性。

(6)设置空气为主相，工件为第二相。在反应栏中添加表面张力和质量转移UDF。其中表面张力系数公式为

σ＝1.2-0.00043(T-T_l)     (1)

其中T_l为材料的液相线,为1720K。σ为表面张力系数，单位为N/m。

质量转移采用经验公式

m＝-A×C_VOF(c,t)×C_R(c,t)×fabs(C_T(c,t)-T_SAT)/T_SAT    (2)

其中，m是工件蒸发速率，单位为kg/(s·m³)。A是蒸发系数，取1。C_VOF(c,t)、C_R(c,t)、C_T(c,t)分别为UDF中的工件体积分数、密度和温度。T_SAT是蒸发温度，为3200K。

(7)利用UDF寻找相界面。首先对第二相进行单元循环，得到第二相所有的坐标。然后对第二相单元进行判断，如果该单元附近8个单元有一个单元是空气单元，则该单元为相界面。否则，则不是相界面。

(8)在“CellZone Conditions”一栏中的mixture添加源项。动量源项分别为x、y方向上的蒸发反作用力，能量源项为相界面处的激光热源、对流、辐射散热以及液体金属蒸发所损失的潜热。蒸发反作用力经验公式为：

$F={\mathrm{AB}}_0{T}_S^{-1/2}\exp (-\frac{M_a{L}_v}{k_b{T}_s})---\left(3\right)$

其中A、B₀是常数，分别为0.55和3.9×10¹²。M_a是原子质量，L_v是蒸发潜热，为6.34e3J/g，k_b是玻尔兹曼常数，T_s是熔池表面的温度。

激光热源为：

$I=\frac{2p_{\mathrm{laser}}}{\mathrm{\π}{W}^2}\exp (-\frac{{2r}^2}{W^2})---\left(4\right)$

其中：I为原始激光能量分布，p_laser为激光功率，W为焦点半径。

对流和辐射为：

$-k\frac{\∂T}{\∂x}=h\left({T-T}_{\∞}\right)+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0(T^4-T_{\∞}^4)---\left(5\right)$

其中：h为对流换热系数，T_∞为环境温度，σ₀为Stefan-Boltzmann常数，ε₀为辐射系数。

液体金属蒸发所损失的潜热为

s＝m×L_v     (6)(9)择SIMPLE算法来处理速度和压力的耦合关系。选择Geo-Reconstruct来处理体积分数。

(10)将连续性残差收敛标准改为1×10^-6。

(11)利用UDF编写第二相位置和大小，并挂载在初始化中。

(12)根据经验设定时间步长为1×10^-6s，时间步长数为10000次，开始计算。

通过上述求解过程得到了每一个时间步长后的结果文件，需要通过云图、矢量图等方式对计算结果进行表示。

如图1所示为本模型计算激光深熔点焊的匙孔动态成形过程。从温度场中可以看出，匙孔底部的温度一直保持在沸点附近，而匙孔壁的温度则保持在2300K左右。当液体金属达到沸点后，开始剧烈蒸发并带走大量能量以保持匙孔壁的能量平衡。由于匙孔底部与匙孔壁的温度差，引发了蒸发发作用力差和表面张力梯度引起的Marangoni力。在这些力的作用下，液体金属克服自身重力和静水压力，使之从底部向顶部流动。如图1（d）最后形成一个冠状突起。图2为7ms时匙孔的速度矢量图，最大的速度为1.47m/s。

通过对激光深熔点焊的数值模拟，可以得到温度分布和速度分布图。研究人员可以通过本发明获知不同焊接工艺参数下焊缝的形状，为研究人员提供了参考依据。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，其特征在于，利用FLUENT平台，通过对激光深熔点焊形成过程中的动量、能量方程设置源项，以模拟匙孔的动态成形过程，按照下述步骤进行：

(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分四面体网格，设置压力入口、压力出口和流体域；

(2)设定瞬态计算，设定参考压力、Y向受重力作用；

(3)打开VOF模型和凝固融化模型；

(4)定义材料属性，其中工件密度选择boussinesq假设；

(5)设定空气为主相，工件为第二相；

(6)根据流场的流型选择层流模型；建立包含质量、动量和能量守恒的偏微分控制方程组；

(7)加入表面张力和质量转移项；

(8)在相界面加入激光热源、蒸发反作用力、对流和辐射；

(9)利用FLUENT软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟。

2.根据权利要求1所述的激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分四面体网格，设置压力入口、压力出口和流体域；

(2)将网格导入FLUENT，选中瞬态分析和重力设置；

(3)开启VOF模型，选择两相流。并打开Implicit Body Force；

(4)开启凝固融化模型，Amush值改为1×10⁷；

(5)建立工件304的物理属性；

(6)设置空气为主相，工件为第二相，在反应栏中添加表面张力和质量转移UDF，其中表面张力系数公式为σ＝1.2-0.00043(T-T_l)，其中T_l为材料的液相线,为1720K，σ为表面张力系数，单位为N/m；

质量转移采用经验公式

m＝-A×C_VOF(c,t)×C_R(c,t)×fabs(C_T(c,t)-T_SAT)/T_SAT

其中，m是工件蒸发速率，单位为kg/(s·m³)；A是蒸发系数，取1；C_VOF(c,t)、C_R(c,t)、C_T(c,t)分别为UDF中的工件体积分数、密度和温度；T_SAT是蒸发温度，为3200K；

(7)利用UDF寻找相界面，首先对第二相进行单元循环，得到第二相所有的坐标，然后对第二相单元进行判断，如果该单元附近8个单元有一个单元是空气单元，则该单元为相界面；否则，则不是相界面；

(8)在“CellZone Conditions”一栏中的mixture添加源项，动量源项分别为x、y方向上的蒸发反作用力，能量源项为相界面处的激光热源、对流、辐射散热以及液体金属蒸发所损失的潜热，蒸发反作用力经验公式为：

$F={\mathrm{AB}}_0{T}_S^{-1/2}\exp (-\frac{M_a{L}_v}{k_b{T}_s})$

其中A、B₀是常数，分别为0.55和3.9×10¹²；M_a是原子质量，L_v是蒸发潜热，为6.34e3J/g，k_b是玻尔兹曼常数，T_s是熔池表面的温度；

激光热源为：

$I=\frac{2p_{\mathrm{laser}}}{\mathrm{\π}{W}^2}\exp (-\frac{{2r}^2}{W^2})$

其中：I为原始激光能量分布，p_laser为激光功率，W为焦点半径

对流和辐射为：

$-k\frac{\∂T}{\∂x}=h\left({T-T}_{\∞}\right)+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0(T^4-T_{\∞}^4)$

其中h为对流换热系数，T_∞为环境温度，σ₀为Stefan-Boltzmann常数，ε₀为辐射系数

液体金属蒸发所损失的潜热为s＝m×L_v

(9)择SIMPLE算法来处理速度和压力的耦合关系，选择Geo-Reconstruct来处理体积分数；

(10)将连续性残差收敛标准改为1×10^-6；

(11)利用UDF编写第二相位置和大小，并挂载在初始化中；

(12)根据经验设定时间步长为1×10^-6s，时间步长数为10000次，开始计算；

通过上述求解过程得到了每一个时间步长后的结果文件，需要通过云图、矢量图等方式对计算结果进行表示，即可得到激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟结果。

3.根据权利要求1或者2所述的激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，其特征在于，物理模型为激光焊接奥氏体不锈钢304，激光器选用Nd:YAG激光器，光束直径为0.6mm，焦距为160mm，选取激光功率1800W，工件板厚3mm，宽3mm，空气部分为3mm×0.5mm，激光束是从工件的上表面中心处入射，热源形式为高斯热源。

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