模拟激光电弧复合焊接中熔滴对熔池冲击作用的计算方法

摘要

本发明提供一种模拟激光电弧复合焊接中熔滴对熔池冲击作用的计算方法，将熔滴对熔池的冲击作用分成动量冲击、质量添加和能量添加三个方面，然后分别整理成相应的数学函数进行计算，最终得到熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布状态。本发明以体积守恒为约束条件的自由界面追踪方法，可实现熔滴冲击下的熔池表面变形，以及温度场和速度场的分布情况计算。能够高效又准确的计算出熔滴冲击对熔池动力学的影响，对科学研究和工程设计都有重大意义。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种过渡频率高、熔滴形状不规则等情况下的熔滴过渡的熔滴冲击数值计算方法。

背景技术

由于激光-MIG复合焊接的物理过程复杂，实验手段并不能有效地观测到熔池传热和流动的情况，很有必要对熔滴冲击下的熔池行为进行数值模拟。在焊接过程中，熔滴从焊丝端部脱离以一定的频率过渡到熔池中，熔滴过渡到熔池中，给熔池带来了额外的质量、动量和能量，并冲击熔池使熔池的表面发生严重的变形，很大程度上影响熔池的传热和流动。传统的熔滴冲击数值模拟是将熔滴假设成球状，并认为熔滴的直径与焊丝直径相等，在重力的作用下以一定的频率过渡到熔池，进入熔池之后被认为是熔池的一部分，不与熔池发生传热，不考虑熔滴对熔池的冲击及熔滴冲击对流动的影响。传统的方法在一定程度上也能反映出熔滴冲击的情况，但有一定的局限性。传统方法对于大滴过渡的模拟效果较好，但对于短路过渡和射流过渡，熔滴的形状与球形差别很大，并且熔滴的尺寸也与焊丝的直径差别很大，不适合再将熔滴形状假设为与焊丝直径相等的球体。传统方法计算短路过渡和射流过渡的准确程度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确计算熔滴对熔池冲击的模拟方法，可以适用于短路过渡、大滴过渡和射流过渡等不同的熔滴过渡模式。

特别地，本发明提供一种模拟激光电弧复合焊接中熔滴对熔池冲击作用的计算方法，将熔滴对熔池的冲击作用分成动量冲击、质量添加和能量添加三个方面，然后分别整理成相应的数学函数进行计算，最终得到熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布状态，处理步骤如下：

步骤1、根据当前焊丝的状态信息整理成函数P_d(x,y)来代表熔滴的动量冲击，然后将函数P_d(x,y)添加到熔池的表面方程中；

步骤2、焊丝溶化成熔滴进入熔池后引起熔池的质量增加，增加量与相应时间的送出的焊丝质量相等，以熔滴与熔池的密度一致为条件，则单位时间内熔池增加的体积即为焊丝的体积，把该等量关系作为熔池表面方程的约束条件；

步骤3、熔滴的能量添加反映在热量变化上，根据熔滴进入熔池前后的温度变化将熔滴的热量整理成函数Q_d(x,y)，再将其添加到边界条件中；

步骤4、结合熔池的表面方程、边界条件和Navier-Stokes方程，即可计算在当前熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布状态。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤1中函数P_d(x,y)通过如下方式得到：

步骤11、设单位时间内焊枪送丝的体积为每个熔滴过渡的时间间隔为1/f，则每个熔滴的体积为

其中，d_w为焊丝的直径，U_w为送丝速度，f为熔滴过渡的频率；

步骤12、考虑熔滴在下落过程中的影响因素后，将熔滴冲击熔池表面的速度设为V_d；

步骤13、熔滴的动量冲击在熔池表面的分布近似服从高斯分布，因此得到熔滴动量冲击的表达式为：

其中，d_w为焊丝的直径，U_w为送丝速度，f为熔滴过渡的频率，ρ_w为焊丝的密度，V_d为熔滴冲击熔池时的速度，rf为熔滴的作用半径。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤2中的表面方程为：

步骤21、

其中，φ为描述熔池表面变形的形状函数，γ为表面张力系数，ρ为熔池的密度，g为重力加速度，F为熔池表面受到的合力，P_a为电弧压力，P_d(x,y)o>

步骤22、由于添加焊丝的体积与熔池变化的体积相等，作为熔池变形的约束条件可得：

其中，G代表约束函数，ΔV_d为添加焊丝的体积。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤3中，将熔滴的热量整理成函数Q_d(x,y)的过程如下：

步骤31、设每个熔滴的质量为

步骤32、则每个熔滴进入熔池后的热量变化为

步骤33、熔滴进入熔池时其热量在熔池表面近似服从高斯分布，因此最终得到的熔滴热量的表达式为：

其中，d_w为焊丝的直径，U_w为送丝速度，f为熔滴过渡的频率，ρ_w为焊丝的密度，C_w为熔滴的比热，T_w为熔滴的温度，为T_l熔池的液相线。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤3中的边界条件为：

其中，n_b为熔池表面的法向量，q_laser为激光能量，q_arc为电弧能量，Q_d(x,y)>为辐射损失的能量，h_c(T-T_a)为对流损失的能量。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤4的具体计算过程如下：

步骤41、确定当前待焊接材料的热物性参数和焊接工艺参数；

步骤42、利用计算机根据尺寸和网格划分信息生成当前材料相应的计算网格；

步骤43、结合表面方程、边界条件和Navier-Stokes方程，建立数学分析模型，编写程序，开始进行熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布的数值模拟；

步骤44、读入当前材料的热物性参数；

步骤45、初始化模型，并给相关参数赋予初值；

步骤46、用数值算法开始迭代求解，直至收敛；

步骤47、输出并分析计算结果。

本发明以体积守恒为约束条件的自由界面追踪方法，实现熔滴冲击下的熔池表面变形，以及温度场和速度场的分布情况计算。能够高效又准确的计算出熔滴冲击对熔池动力学的影响，对科学研究和工程设计都有重大意义。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的计算方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式的模拟激光电弧复合焊接中熔滴对熔池冲击作用的计算方法，其特征在于，将熔滴对熔池的冲击作用分成动量冲击、质量添加和能量添加三个方面，然后分别整理成相应的数学函数进行计算，最终得到熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布状态，处理步骤如下：

步骤1、根据当前焊丝的状态信息整理成函数P_d(x,y)来代表熔滴的动量冲击，然后将函数P_d(x,y)添加到熔池的表面方程中。

其中函数P_d(x,y)可以通过如下方式得到：

步骤11、设单位时间内焊枪送丝的体积为每个熔滴过渡的时间间隔为1/f，则每个熔滴的体积为

其中，d_w为焊丝的直径，U_w为送丝速度，f为熔滴过渡的频率；

步骤12、考虑熔滴在下落过程中的影响因素后，将熔滴冲击熔池表面的速度设为V_d；熔滴脱离焊丝后，由于激光致等离子体和电弧等离子体的耦合影响，熔滴在下落过程中受到等离子流力，金属蒸汽反作用力，表面张力，电磁收缩力等作用，通过设置熔滴冲击熔池表面的速度来间接考虑这些力的影响；

步骤13、熔滴的动量冲击在熔池表面的分布近似服从高斯分布，因此得到熔滴动量冲击的表达式为：

其中，d_w为焊丝的直径，U_w为送丝速度，f为熔滴过渡的频率，ρ_w为焊丝的密度，V_d为熔滴冲击熔池时的速度，r_f为熔滴的作用半径。

熔滴滴动量冲击在熔池表面的分布近似服从高斯分布，并将其代入表面方程。

步骤21、

其中，φ为描述熔池表面变形的形状函数，γ为表面张力系数，ρ为熔池的密度，g为重力加速度，F为熔池表面受到的合力，P_a为电弧压力，P_d(x,y)>

步骤22、由于添加焊丝的体积与熔池变化的体积相等，作为熔池变形的约束条件可得：

其中，G代表约束函数，为添加焊丝的体积。

步骤2、焊丝熔化成熔滴进入熔池后引起熔池的质量增加，增加量与相应时间的送出的焊丝质量相等，假设熔滴与熔池的密度一致，则单位时间内熔池增加的体积即为焊丝的体积，把该等量关系作为熔池表面方程的约束条件。

该步骤是假设焊丝、熔滴与熔池三者的密度一致来得到单位时间伸出焊丝的体积即为熔池增加的体积的结论的。

步骤3、熔滴的能量添加反映在热量变化上，根据熔滴进入熔池前后的温度变化将熔滴的热量整理成函数Q_d(x,y)，再将其添加到边界条件中；

将熔滴的热量整理成函数Q_d(x,y)的过程如下：

步骤31、设每个熔滴的质量为

步骤32、则每个熔滴进入熔池后的热量变化为

步骤33、熔滴进入熔池时其热量在熔池表面近似服从高斯分布，因此最终得到的熔滴热量的表达式为：

其中，d_w为焊丝的直径，U_w为送丝速度，f为熔滴过渡的频率，ρ_w为焊丝的密度，C_w为熔滴的比热，T_w为熔滴的温度，为T_l熔池的液相线。

其中的边界条件为：

其中，n_b为熔池表面的法向量，q_laser为激光能量，q_arc为电弧能量，Q_d(x,y)>c(T-T_a)为对流损失的能量。

步骤4、结合熔池的表面方程、边界条件和Navier-Stokes方程，即可计算在当前熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布状态。

该步骤的具体计算过程如下：

步骤41、确定当前待焊接材料的热物性参数和焊接工艺参数；

步骤42、利用计算机根据尺寸和网格划分信息生成当前材料相应的计算网格；

步骤43、结合表面方程、边界条件和Navier-Stokes方程，建立数学分析模型，编写程序，开始进行熔滴冲击下熔池的表面变形、温度和速度分布的数值模拟；

步骤44、读入当前材料的热物性参数；

步骤45、初始化模型，并给相关参数赋予初值；

步骤46、用数值算法开始迭代求解，直至收敛；

步骤47、输出并分析计算结果。

以下以一个具体实施例来说明本发明的计算过程。

对6mm厚的7N01铝合金板在激光-MIG复合焊接过程中熔池所受到的熔滴冲击进行计算分析，它的计算步骤为：

A.确定材料的热物性参数；

密度2700kg/m³，黏性系数0.001kg/(m·s)，固相线为858K，液相线为923K,>5J/kg，液相线时的焓为1.1×10⁶J/kg，固相线时的比热为881J/(Kg·K)，液相线时的比热为1200J/(Kg·K)，表面张力温度系数为-1.55×10^-4N/(m·K)。

B.确定具体工况和焊接工艺参数；

工艺条件为激光功率900W，电流150A，送丝速度9.3m/min，光丝间距 2mm，焊接速度12mm/s，焊丝直径为1.2mm，熔滴过渡频率为317Hz。

C.结合熔池的表面方程、边界条件和Navier-Stokes方程建立熔池变形、传热和流动的数值模型，进行模拟分析，量化熔滴冲击对熔池的影响；

D.建立三维的瞬态模型，模型尺寸为32mm*10mm*6mm，包括 525*135*120个网格点；

为了节省计算时间，采用不均匀网格，在焊缝中心区域将网格加密，其余区域较稀疏；采用一半的对称模型进行模拟，时间步长为1毫秒，总计算时长为1.2s；

E.用SIMPLE数值算法进行迭代求解

①对相关的参数赋初值，用数值算法迭代求解，开始第一步的计算，计算流程如下；

②将当前焊接工艺参数、材料热物性参数、前一时刻的温度场、熔滴能量添加代入Navier-Stokes方程和边界条件中，以得到当前时刻熔池的温度场；

③将当前熔池的温度场、熔滴动量冲击、熔滴质量添加代入熔池表面方程和约束条件中，得到当前时刻熔池表面的变形情况；

④更新温度场和熔池变形后的网格信息，将温度场和前一时刻的熔池速度场代入Navier-Stokes方程中，得到当前熔池的速度矢量场；

⑤对计算结果进行收敛性判断，如满足收敛条件则迭代结束，如不满足收敛条件则回到步骤②继续迭代直到收敛为止；

⑥输出计算结果。

F.对结果进行整理，分析熔滴冲击下熔池的表面变形和温度、速度分布情况。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。