[發(fā)明專利]模擬激光電弧復(fù)合焊接中熔滴對熔池沖擊作用的計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710858075.7
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號(hào): CN107609288B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 虞鋼;陳旭陽;何秀麗;鄭彩云;李少霞;寧偉健
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;B23K26/348
• 代理公司: 11390 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 胡劍輝<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明提供一種模擬激光電弧復(fù)合焊接中熔滴對熔池沖擊作用的計(jì)算方法，將熔滴對熔池的沖擊作用分成動(dòng)量沖擊、質(zhì)量添加和能量添加三個(gè)方面，然后分別整理成相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得到熔滴沖擊下熔池的表面變形、溫度和速度分布狀態(tài)。本發(fā)明以體積守恒為約束條件的自由界面追蹤方法，可實(shí)現(xiàn)熔滴沖擊下的熔池表面變形，以及溫度場和速度場的分布情況計(jì)算。能夠高效又準(zhǔn)確的計(jì)算出熔滴沖擊對熔池動(dòng)力學(xué)的影響，對科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)都有重大意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，特別是涉及一種過渡頻率高、熔滴形狀不規(guī)則等情況下的熔滴過渡的熔滴沖擊數(shù)值計(jì)算方法。

背景技術(shù)

由于激光-MIG復(fù)合焊接的物理過程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)手段并不能有效地觀測到熔池傳熱和流動(dòng)的情況，很有必要對熔滴沖擊下的熔池行為進(jìn)行數(shù)值模擬。在焊接過程中，熔滴從焊絲端部脫離以一定的頻率過渡到熔池中，熔滴過渡到熔池中，給熔池帶來了額外的質(zhì)量、動(dòng)量和能量，并沖擊熔池使熔池的表面發(fā)生嚴(yán)重的變形，很大程度上影響熔池的傳熱和流動(dòng)。傳統(tǒng)的熔滴沖擊數(shù)值模擬是將熔滴假設(shè)成球狀，并認(rèn)為熔滴的直徑與焊絲直徑相等，在重力的作用下以一定的頻率過渡到熔池，進(jìn)入熔池之后被認(rèn)為是熔池的一部分，不與熔池發(fā)生傳熱，不考慮熔滴對熔池的沖擊及熔滴沖擊對流動(dòng)的影響。傳統(tǒng)的方法在一定程度上也能反映出熔滴沖擊的情況，但有一定的局限性。傳統(tǒng)方法對于大滴過渡的模擬效果較好，但對于短路過渡和射流過渡，熔滴的形狀與球形差別很大，并且熔滴的尺寸也與焊絲的直徑差別很大，不適合再將熔滴形狀假設(shè)為與焊絲直徑相等的球體。傳統(tǒng)方法計(jì)算短路過渡和射流過渡的準(zhǔn)確程度不高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種準(zhǔn)確計(jì)算熔滴對熔池沖擊的模擬方法，可以適用于短路過渡、大滴過渡和射流過渡等不同的熔滴過渡模式。

特別地，本發(fā)明提供一種模擬激光電弧復(fù)合焊接中熔滴對熔池沖擊作用的計(jì)算方法，將熔滴對熔池的沖擊作用分成動(dòng)量沖擊、質(zhì)量添加和能量添加三個(gè)方面，然后分別整理成相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得到熔滴沖擊下熔池的表面變形、溫度和速度分布狀態(tài)，處理步驟如下：

步驟1、根據(jù)當(dāng)前焊絲的狀態(tài)信息整理成函數(shù)P_d(x,y)來代表熔滴的動(dòng)量沖擊，然后將函數(shù)P_d(x,y)添加到熔池的表面方程中；

步驟2、焊絲溶化成熔滴進(jìn)入熔池后引起熔池的質(zhì)量增加，增加量與相應(yīng)時(shí)間的送出的焊絲質(zhì)量相等，以熔滴與熔池的密度一致為條件，則單位時(shí)間內(nèi)熔池增加的體積即為焊絲的體積，把該等量關(guān)系作為熔池表面方程的約束條件；

步驟3、熔滴的能量添加反映在熱量變化上，根據(jù)熔滴進(jìn)入熔池前后的溫度變化將熔滴的熱量整理成函數(shù)Q_d(x,y)，再將其添加到邊界條件中；

步驟4、結(jié)合熔池的表面方程、邊界條件和Navier-Stokes方程，即可計(jì)算在當(dāng)前熔滴沖擊下熔池的表面變形、溫度和速度分布狀態(tài)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述步驟1中函數(shù)P_d(x,y)通過如下方式得到：

步驟11、設(shè)單位時(shí)間內(nèi)焊槍送絲的體積為每個(gè)熔滴過渡的時(shí)間間隔為1/f，則每個(gè)熔滴的體積為

其中，d_w為焊絲的直徑，U_w為送絲速度，f為熔滴過渡的頻率；

步驟12、考慮熔滴在下落過程中的影響因素后，將熔滴沖擊熔池表面的速度設(shè)為V_d；

步驟13、熔滴的動(dòng)量沖擊在熔池表面的分布近似服從高斯分布，因此得到熔滴動(dòng)量沖擊的表達(dá)式為：

其中，d_w為焊絲的直徑，U_w為送絲速度，f為熔滴過渡的頻率，ρ_w為焊絲的密度，V_d為熔滴沖擊熔池時(shí)的速度，rf為熔滴的作用半徑。