CN115048882A - 一种激光焊缝形貌预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光焊缝形貌预测方法,针对已有激光焊缝形貌预测方法中存在的数据和场景依赖性问题,本发明从经典物理学理论出发,提出了一种普适的激光焊缝形貌预测方法,从而实现对不同焊接设备、焊接材料及焊接结构下的焊缝形貌的准确预测。首先,输出初始时刻的焊缝形貌函数和焊接参数;其次,基于经典物理学理论求解下一时刻的焊缝形貌函数;进而,提取下一时刻的焊缝形貌并输出下一时刻的焊缝形貌特征。与现有焊缝形貌预测方法相比,本发明具有较好的普适性,算法简单容易实施,计算效率高,数值稳定性和鲁棒性较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种普适的激光焊缝形貌预测方法,其属于焊缝形貌预测方法领域。
背景技术
焊缝形貌是评价焊接工艺质量的关键指标。为获得良好的焊缝形貌,科研人员和工程师需进行大量的焊接工艺实验。通过对比不同工艺条件下的焊缝形貌,筛选出最优的焊缝形貌。由于焊接工艺实验需要消耗较多的人力和物力成本,此方法存在一定的不足。数值模拟方法可以预测不同工艺条件下的的焊缝形貌,减少焊接工艺实验次数,降低焊接实验成本,对于提高激光焊接研发和生产效率有着重要的意义。
在激光焊接过程中,材料受高能量密度激光辐照作用会产生剧烈的蒸发,该物理过程会强烈改变激光焊接的焊缝形貌。针对激光焊接的蒸发过程,现有数值模拟方法主要采用反冲压力模型进行描述(Pang S,Chen L,Zhou J,et al.Journal of Physics D:Applied Physics,2011,44:025301;Ai Y,Jiang P,Shao X,et al.Applied ThermalEngineering,2016,113:980-993;Feng Y,Gao X,Zhang Y,et al.The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology,2021,112:2301-2312.)。此类方法基于经验模型描述蒸发过程给熔池带来的动量和能量作用,存在一定的数据和场景依赖性。当焊接设备、焊接材料或焊接结构改变后,此方法很难准确预测焊缝形貌。上述难点制约了焊缝形貌预测方法在激光焊接中的应用,因此迫切需要发展一种普适的激光焊缝形貌预测方法。
发明内容
为解决已有激光焊缝形貌预测方法存在的数据和场景依赖性问题,本发明提出了一种普适的激光焊缝形貌预测方法。
本发明采用如下技术方案:一种普适的激光焊缝形貌预测方法,包括如下步骤:
S1,输入初始时刻的焊缝形貌函数Hn:
其中,公式(1)中,Δxmin为最小网格尺寸,φn为初始时刻工件截面内各点到焊缝的距离,tanh为双曲正切函数;
S2,确定初始时刻的焊接参数,各焊接参数表达如下:
S3,获取下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1,获取过程如下:
S3.1,计算初始时刻的动量源Sn:
其中,分别代表由惯性、表面力和体积力引起的动量源,为梯度算子,为散度算子,上标T代表矩阵转置,un、Tn、α、Tenv、σ为步骤S2中列举的初始时刻的焊接参数,g为重力加速度常数,ρ、μ分别为气液混合相的密度和粘度,n为气液界面法向量;
S3.2,计算对流后的速度u*:
其中,Δt为计算时间步长,un为步骤S2中列举的初始时刻的焊接参数;
S3.3,计算下一时刻的压力pn+1:
S3.4,计算下一时刻的速度un+1:
S3.5,计算初始时刻的能量源Qn:
其中,e为自然对数,Tn、Lvap、Cliq、Cvap、Tsat、I、r0为步骤S2中列举的初始时刻的焊接参数,r为计算域内各点到激光光斑中心的距离,C和k分别为气液混合相的比热容和热导率;
S3.6,计算下一时刻的温度Tn+1:
S3.7,计算下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1:
S4,绘制下一时刻焊缝形貌函数Hn+1的分布云图;
S5,提取下一时刻的焊缝形貌;
S6,输出下一时刻的焊缝形貌特征。
与现有方法相比,本发明的优点如下:
(1)本方法基于经典物理学理论求解激光焊缝形貌演化过程,有效解决已有经验性方法中的数据和场景依赖性问题,可适用于不同的焊接设备、材料及结构,具有较好的普适性;
(2)本方法基于不可压缩算法求解激光焊缝形貌演化过程,具有方法简单、容易实施、计算效率高等优点;
(3)本方法采用一套控制方程求解液相和气相两种流体,具有较好的数值稳定性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明提出的一种普适的激光焊缝形貌预测方法的流程过程图。
图2是初始时刻的焊缝形貌函数定义的示意图。
图3是下一时刻焊缝形貌函数分布云图的示意图。
图4是下一时刻的焊缝形貌示意图。
图5是下一时刻的焊缝形貌特征示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
针对已有激光焊缝形貌预测方法存在的数据和场景依赖性问题,本发明从经典物理学理论出发,提出了一种普适的激光焊缝形貌预测方法。
结合图1,本发明所述的一种普适的激光焊缝形貌预测方法,包括如下步骤:
第一步:输入初始时刻的焊缝形貌函数Hn
本发明以双曲正切函数表示初始时刻的焊缝形貌Hn,该初始时刻的焊缝形貌定义为双曲正切函数的0.5等值面。因此,初始时刻的焊缝形貌函数Hn见公式(1):
其中,Δxmin为最小网格尺寸,φn为初始时刻工件截面内各点到焊缝的距离,tanh为双曲正切函数,如图2所示。
第二步:确定初始时刻的焊接参数
初始时刻的焊接参数,见表1:
表1初始时刻的焊接参数
第三步:获取下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1
本发明基于经典物理学理论求解下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1,具体实现过程如下:
①计算初始时刻的动量源Sn,见公式(2):
其中,分别代表由惯性、表面力和体积力引起的动量源,为梯度算子,为散度算子,上标T代表矩阵转置,un、Tn、α、Tenv、σ为初始时刻的焊接参数,由表1给出,g为重力加速度常数,ρ、μ分别为气液混合相的密度和粘度,见公式(2-1):
其中,ρliq、ρvap、μliq、μvap为初始时刻的焊接参数,均由表1给出。
n为气液界面法向量,见公式(2-2):
其中,Hn为初始时刻的焊缝形貌,由公式(1)获得。
②计算对流后的速度u*,见公式(3):
③计算下一时刻的压力pn+1,见公式(4):
其中,为梯度算子,为散度算子,Δt为计算时间步长,ρ为气液混合相的密度,由公式(2-1)获得,u*为对流后的速度,由公式(3)获得,Hn为初始时刻的焊缝形貌,由公式(1)获得,为材料蒸发时的质量流率,见公式(4-1):
④计算下一时刻的速度un+1,见公式(5):
⑤计算初始时刻的能量源Qn,见公式(6):
其中,为梯度算子,为散度算子,e为自然对数,Tn、Lvap、Cliq、Cvap、Tsat、I、r0为初始时刻的焊接参数,由表1给出,ρ为气液混合相的密度,由公式(2-1)获得,为材料蒸发时的质量流率,由公式(4-1)获得,Hn为初始时刻的焊缝形貌,由公式(1)获得,r为计算域内各点到激光光斑中心的距离,C和k分别为气液混合相的比热容和热导率:
其中,Cliq、Cvap、kliq、kvap为初始时刻的焊接参数,均由表1给出,Hn为初始时刻的焊缝形貌,由公式(1)获得。
⑥计算下一时刻的温度Tn+1,见公式(7):
⑦计算下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1,见公式(8):
其中,为梯度算子,Δt为计算时间步长,Hn为初始时刻的焊缝形貌,由公式(1)获得,un+1为下一时刻的速度,由公式(5)获得,ρ为气液混合相的密度,由公式(2-1)获得,为材料蒸发时的质量流率,由公式(4-1)获得,n为气液界面法向量,由公式(2-2)获得。
公式(4)可采用超松弛法(Successive Over Relaxation Method)、共轭梯度法(Conjugate Gradient Method)或快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)等方法进行求解。
第四步:绘制下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1的分布云图。
根据下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1,绘制下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1的分布云图,如图3所示。
第五步:提取下一时刻的焊缝形貌。
根据下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1的分布云图,提取Hn+1的0.5等值面作为下一时刻的焊缝形貌,如图4所示。
第六步:输出下一时刻的焊缝形貌特征。
根据下一时刻的焊缝形貌,输出下一时刻的焊缝形貌特征,包括焊缝熔宽、熔深和余高等,如图5所示。
与现有焊缝形貌预测方法相比,本发明基于经典物理学理论求解激光焊缝形貌演化过程,有效解决已有经验性方法中存在的数据和场景依赖性问题,可适用于不同的焊接设备、材料及结构,具有较好的普适性。本方法基于不可压缩解法求解激光焊缝形貌演化过程,具有算法简单、容易实施、计算效率高等优点。本方法采用一套控制方程求解液相和气相两种流体,具有较好的数值稳定性和鲁棒性。
Claims (9)
1.一种激光焊缝形貌预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1,输入初始时刻的焊缝形貌函数Hn:
其中,公式(1)中,Δxmin为最小网格尺寸,φn为初始时刻工件截面内各点到焊缝的距离,tanh为双曲正切函数;
S2,确定初始时刻的焊接参数,各焊接参数表达如下:
S3,获取下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1,获取过程如下:
S3.1,计算初始时刻的动量源Sn:
其中,分别代表由惯性、表面力和体积力引起的动量源,为梯度算子,为散度算子,上标T代表矩阵转置,un、Tn、α、Tenv、σ为步骤S2中列举的初始时刻的焊接参数,g为重力加速度常数,ρ、μ分别为气液混合相的密度和粘度,n为气液界面法向量;
S3.2,计算对流后的速度u*:
其中,Δt为计算时间步长,un为步骤S2中列举的初始时刻的焊接参数;
S3.3,计算下一时刻的压力pn+1:
S3.4,计算下一时刻的速度un+1:
S3.5,计算初始时刻的能量源Qn:
其中,e为自然对数,Tn、Lvap、Cliq、Cvap、Tsat、I、r0为步骤S2中列举的初始时刻的焊接参数,r为计算域内各点到激光光斑中心的距离,C和k分别为气液混合相的比热容和热导率;
S3.6,计算下一时刻的温度Tn+1:
S3.7,计算下一时刻的焊缝形貌函数Hn+1:
S4,绘制下一时刻焊缝形貌函数Hn+1的分布云图;
S5,提取下一时刻的焊缝形貌;
S6,输出下一时刻的焊缝形貌特征。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,公式(4)采用超松弛法、共轭梯度法或快速傅里叶变换中任一方法进行求解。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,以双曲正切函数表示初始时刻的焊缝形貌函数Hn,焊缝形貌定义为双曲正切函数的0.5等值面。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S5中,根据下一时刻的焊缝形貌函数Hn +1,提取Hn+1的0.5等值面作为下一时刻的焊缝形貌。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S6中,根据下一时刻的焊缝形貌,输出下一时刻的焊缝形貌特征,包括焊缝熔宽、熔深和余高。
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---|---|---|---|
CN202210819398.6A CN115048882A (zh) | 2022-07-13 | 2022-07-13 | 一种激光焊缝形貌预测方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114841002A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-02 | 常熟理工学院 | 一种适用于万瓦级激光焊接的高精度焊缝形貌预测方法 |
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2022
- 2022-07-13 CN CN202210819398.6A patent/CN115048882A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114841002A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-02 | 常熟理工学院 | 一种适用于万瓦级激光焊接的高精度焊缝形貌预测方法 |
CN114841002B (zh) * | 2022-05-11 | 2024-05-03 | 常熟理工学院 | 一种适用于万瓦级激光焊接的高精度焊缝形貌预测方法 |
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