CN111639469A - 一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体‑热电磁效应模拟方法，属于焊接过程多物理场数值模拟技术领域。该方法基于连续性方程、N‑S方程、能量方程及电流守恒方程建立了磁控激光焊接熔池热‑流‑电磁耦合数学模型，充分考虑了由温度梯度及固、液相热电系数差异导致的Seebeck热电效应，以及热电流与外加磁场作用所产生的热电磁效应，能够求解金属材料在磁场辅助激光焊接过程中熔池的热电流密度与热电磁力分布，深入揭示熔池传热、流动行为以及焊缝形貌变化机制。

Description

一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法

技术领域

本发明提出的一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，属于焊接宏观数值模拟技术领域，适用于求解外加磁场条件下金属材料激光焊接过程热电流、热电磁力分布及熔池动力学行为。

背景技术

近年来，磁场辅助激光焊接技术成为焊接领域的一大研究热点，其基本原理为磁流体介质在磁场环境中的双扰动效应：一是磁流体与外加磁场相互作用产生诱导电流，其共生磁场(即诱导磁场)对外加磁场存在扰动；二是电流与受扰动的磁场相互作用产生电磁力，从而对磁流体初始运动状态产生扰动。在特定参数稳恒磁场作用下，电磁力对熔池液态金属的流动具有明显促进或抑制作用，从而起到改善焊缝成形、调控晶粒组织形态、提高接头力学性能等有益效果。通过建立磁场辅助激光焊接过程多物理场耦合数值模型，开展焊接熔池瞬态动力数值模拟，能够深入外加磁场对熔池液态金属传热、流动行为的影响机制，明确磁场强度、振荡频率、作用方向等参数的影响规律，从而为科学定制磁控工艺参数提供指导。

在金属材料的磁控激光深熔焊接过程中，除了熔池介质的磁流体扰动效应之外，焊接区域还存在由高温度梯度及固、液相热电系数差异导致的Seebeck热电效应。在常规的激光焊接工艺中，热电流与其共生磁场相互作用形成的热电磁力很小，其影响可以忽略不计。但是，在外加磁场条件下，施加于热电流载体的热电磁力可以达到10⁶N/m³，从而显著影响焊接过程的热、流分布，使得焊接熔池动力学行为及焊缝尺寸形貌发生明显变化。目前，针对磁控激光焊接熔池动力学数值建模研究大多未考虑热电磁效应，使得模拟结果与实验数据的吻合度较差，尤其不能解释稳恒磁场反向导致的焊缝形貌变化等实验现象。

发明内容

鉴于背景技术的局限性，本发明提出一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，将热电效应、热电磁效应与磁流体效应进行耦合建模与求解，从而获取磁控激光焊接过程热电流及热电磁力的空间分布，准确预测温度场、速度场及熔池形态。

本发明的具体流程如图1所示，包含如下步骤：

步骤1：将Seebeck热电效应理论映射在激光焊接熔池固-液相体系，构建磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理模型；

步骤2：对物理模型进行适当简化，建立磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合数学模型，采用电流连续性方程实现热电流密度的求解；

步骤3：构建三维激光焊接计算域几何模型，定义控制方程待求变量的初始条件与边界条件，采用六面体单元对计算域进行网格造型；

步骤4：基于商用CFD模拟平台，加载焊接母材的材料模型参数与工艺参数，采用FVM与SIMPLE算法分别对控制方程组进行离散与迭代求解；

步骤5：根据模拟结果与实际焊缝形貌对比，对数值模型的合理性与准确性进行评估，以适当修正、完善数值模型。

进一步地，步骤1所述的磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理建模对象为：焊接熔池传热、流动及固-液相变过程；焊接区域的磁流体效应与Seebeck效应产生的(热)电流分布；(热)电流的热效应以及(热)电流与外加磁场作用产生的电磁力效应。

进一步地，步骤2所述的物理模型进行适当简化包括：仅考虑固-液体系的Seebeck效应；Seebeck系数与温度及材料的各向异性无关，熔池凝固相的Seebeck系数与未熔化的母材相相同；稳恒磁控激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合数学模型包含连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及电流密度方程，方程具体形式如下：

式中，ρ、

分别为密度、速度场；t、p、τ、

β、T、T_l、K₀、α_l、c、

分别为时间、压力、应力张量、重力加速度、热膨胀系数、温度、液相线温度、渗透系数、液相体积分数、常系数、初始速度场、总电流密度、初始磁感应强度、诱导磁感应强度；h、k、σ_e分别为混合焓、热导率、电导率；

S分别为电势、Seebeck系数。

其中，电流项

遵循Kirchhoff电流连续性方程：

将上式与电流密度方程联立，得到

的输运方程：

进一步地，步骤3所述的计算域几何模型为单相流体通道模型，采用预设匙孔模型作为激光焊接热源，焊接热源的移动通过入口速度实现，电势项

温度梯度项

的初始条件为：

采用Dirichlet边界条件处理温度梯度项

使其各个分量在边界上连续；采用Neumann边界条件处理电绝缘界面，即电势项的法向量连续，切向量为0：

式中，x，y，z为三维空间坐标，T_c为边界体单元的温度值，

为界面外法向量。

进一步地，步骤4所述的材料模型参数包括密度、热导率、比热、动态粘度、热膨胀系数、表面张力系数、电导率、磁导率、Seebeck系数等。FVM的离散对象为输运方程的非稳态项、对流项、扩散项及源项，采用SIMPLE对离散后的方程进行迭代求解，直至收敛。

进一步地，步骤5所述的模拟结果主要为熔池三维及投影形貌，模型修正方法为通过测量熔池深度及不同高度的熔池宽度，并与焊缝熔深、熔宽进行对比，从而调整计算域几何尺寸参数，减小模拟误差。

本发明的有益效果为：能够对磁场辅助激光焊接过程的磁流体效应与热电磁效应进行耦合建模与求解，显著提高磁控熔池宏观动力学数值模拟准确性，深入揭示外加磁场对熔池传热与流动行为的作用机制及规律，改善焊缝成形预测精度。

附图说明

图1磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应数值模拟流程

图2磁场辅助激光焊接计算域几何模型

图3熔池温度场与速度场计算结果

图4熔池表面速度与温度值一维分布

图5熔池形貌模拟结果与实验测量结果对比

具体实施方式

针对中厚板铝合金的稳恒磁场辅助激光深熔焊接过程，依据本发明步骤构建磁流体-热电磁效应耦合数值模型，开展热电流密度、热电磁力及熔池传热与对流行为数值模拟。

步骤1：

将Seebeck热电效应理论映射在激光焊接熔池固-液相体系，构建铝合金稳恒磁控激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理模型，主要建模对象为：焊接熔池传热、流动及固-液相变过程；焊接区域的磁流体效应与Seebeck效应产生的电流分布；电流的热效应以及电流与外加磁场作用产生的电磁力分布。

步骤2：

对物理模型进行适当简化与假设，包括仅考虑铝合金固-液相体系的Seebeck效应；各相的Seebeck系数均为常数，与温度及材料的空间取向无关；熔池凝固相的Seebeck系数与未熔化的母材相相同。

建立铝合金稳恒磁控激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合数学模型，除连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程之外，基于Ohm定律建立了电流密度方程，采用电流连续性原理对方程进行改造，从而实现热电流密度的求解。

磁流体-热电磁效应耦合数学模型涉及的主要控制方程形式如下：

式中，ρ、

分别为密度、速度场；t、p、τ、

β、T、T_l、K₀、α_l、c、

分别为时间、压力、应力张量、重力加速度、热膨胀系数、温度、液相线温度、渗透系数、液相体积分数、常系数、初始速度场、总电流密度、初始磁感应强度、诱导磁感应强度；h、k、σ_e分别为混合焓、热导率、电导率；

S分别为电势、Seebeck系数。

其中，电流项

遵循Kirchhoff电流连续性方程：

将上式与电流密度方程联立，得到

的输运方程：

通过数值方法可求解得到电势项

的分布。

步骤3：

构建稳恒磁控激光焊接过程的计算域几何模型，采用三维单相流体通道对称模型，长23.5mm，宽8mm，高12mm。采用预设匙孔模型作为激光焊接热源以提高建模及计算效率，焊接热源的移动通过入口速度的设置来实现。

结合实际焊接情况，对控制方程待求变量的初始条件与边界条件进行设置，其中电势项

温度梯度项

的初始条件为：

采用Dirichlet边界条件处理温度梯度项

使其各个分量在边界上连续；采用Neumann边界条件处理电绝缘界面，即电势项的法向量连续，切向量为0：

式中，x，y，z为三维空间坐标，T_c为边界体单元的温度值，

为界面外法向量。

采用平均边长为0.2mm的六面体网格单元对计算域几何模型进行离散，在改善收敛、提高求解效率的同时保证较好的结果精度。

步骤4：

借助商用CFD模拟平台，加载焊接母材99.5铝合金的常温及高温材料模型参数，包括密度、热导率、比热、动态粘度、热膨胀系数、表面张力系数、电导率、磁导率、Seebeck系数等，如表1所示。

表1 99.5铝合金物理性能参数

模拟所采用的工艺参数如表2所示：

表2稳恒磁控99.5铝合金激光深熔焊接工艺参数

采用FVM对控制方程的标准输运形式进行离散，方程的非稳态项、对流项与扩散项的离散格式分别二阶隐式、一阶迎风与中心差分，源项则进行线性化处理。

步骤5：

模拟得到的稳恒磁控铝合金激光焊接过程温度与速度分布如图3所示，可以看出，在纵向0.2T稳恒磁场作用下，熔池近表面液态金属流速均有不同程度的下降，使得热毛细对流区域缩小，熔池表面长度减小。在热电磁效应耦合作用下，熔池的热、流分布对外加磁场方向十分敏感，当磁场方向由+Y变为-Y时，熔池的长宽比由0.96增大至1.32，其表面熔宽的减小幅度更为显著，等温线分布更为均匀。熔池表面速度与温度值的一维分布如图4所示，当稳恒磁场作用于+Y方向时，匙孔两侧局部出现了液相加速现象，从而形成了较大的熔宽。

稳恒磁控铝合金激光深熔焊接熔池形貌计算结果与实际焊缝形貌的对比如图5所示。当模型中未考虑热电磁效应时，外加磁场极性的倒置并未造成熔池形貌的改变，这与实验结果不符。基于磁流体-热电效应耦合模型所模拟的熔池形貌能够反映实际焊缝形貌的变化，不同高度的熔池宽度与焊缝熔宽更为吻合，验证了本发明所提出的数值模型及模拟方法的准确性。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将Seebeck热电效应理论映射在激光焊接熔池固-液相体系，构建磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理模型；

步骤2：对物理模型进行适当简化，建立磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合数学模型，采用电流连续性方程实现热电流密度的求解；

步骤3：构建三维激光焊接计算域几何模型，定义控制方程变量的初始条件与边界条件，采用六面体单元对计算域进行网格造型；

步骤4：基于商用CFD模拟平台，加载焊接母材的材料模型参数与工艺参数，采用FVM与SIMPLE算法分别对控制方程组进行离散与迭代求解。

步骤5：根据模拟结果与实际焊缝形貌对比，对数值模型的合理性与准确性进行评估，以适当修正、完善数值模型。

2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，其特征在于步骤1所述的磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理建模对象为：焊接熔池传热、流动及固-液相变过程；焊接区域的磁流体效应与Seebeck效应产生的(热)电流分布；(热)电流的热效应以及(热)电流与外加磁场作用产生的电磁力效应。

3.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，其特征在于步骤2所述的物理模型简化包括：仅考虑固-液体系的Seebeck效应；Seebeck系数与温度及材料的各向异性无关，熔池凝固相的Seebeck系数与未熔化的母材相相同；磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合数学模型包含连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及电流密度方程，方程具体形式如下：

式中，ρ、

分别为密度、速度场；t、p、τ、

β、T、T_l、K₀、α_l、c、

分别为时间、压力、应力张量、重力加速度、热膨胀系数、温度、液相线温度、渗透系数、液相体积分数、常系数、初始速度场、总电流密度、初始磁感应强度、诱导磁感应强度；h、k、σ_e分别为混合焓、热导率、电导率；

S分别为电势、Seebeck系数。

其中，电流项

遵循Kirchhoff电流连续性方程：

将上式与电流密度方程联立，得到

的输运方程：

4.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，其特征在于步骤3所述的计算域几何模型为单相流体通道模型，采用预设匙孔模型作为激光焊接热源，焊接热源的移动通过入口速度实现。

电势项

温度梯度项

的初始条件为：

采用Dirichlet边界条件处理温度梯度项

使其各个分量在边界上连续；采用Neumann边界条件处理电绝缘界面，即电势项的法向量连续，切向量为0：

式中，x，y，z为三维空间坐标，T_c为边界体单元的温度值，

为界面外法向量。

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