[發明專利]一種激光焊接溫度場熱源模型

在審

• 申請號: 201811636852.4
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109829200A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 石生芳;左延田;顧福明;陸歡軍
• 申請（專利權）人: 上海市特種設備監督檢驗技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海三方專利事務所(普通合伙) 31127
• 代理人: 吳瑋

本發明涉及溫度場熱源模型技術領域，具體來說是一種激光焊接溫度場熱源模型。所述激光焊接溫度場熱源模型通過建立圓錐熱源模型和有限元網格模型進行建立。所述有限元網格模型劃分時采用非均分網格，逐級遞減，在焊縫金屬及其附近區域進行細分，而在遠離焊縫的地方網格則劃得粗。在過渡區域采用兩次過渡，首先在垂直焊縫方向過渡2次，其次在上下表面過渡2次。本發明與現有技術相比建立了新的激光焊接溫度場熱源模型，并與試驗結果進行了對比，發現模擬結果與試驗結果的誤差很小。并且結果表明所用模型能較好符合實際焊接過程，熔池形態與實際相一致。

技術領域

本發明涉及溫度場熱源模型技術領域，具體來說是一種激光焊接溫度場熱源模型。

背景技術

所謂的焊接溫度場熱源模型,可以認為是對作用于焊件上的、在時間域和空間域上的熱輸入分布特點的一種數學表達。到目前為止,用于焊接數值模擬中的所有焊接溫度場熱源模型大都不隨時間而發生變化,也就是認為在焊接進行過程中熱源模型是不發生變化的,即靜態焊接熱源模型。目前基本上有四種焊接熱流分布模式,即均勻分布、高斯分布、衰減分布和結合型分布。均勻分布與實際焊接過程中的熱流分布特征不太相符,而衰減分布僅見于激光焊的數值模擬中且應用不廣。目前應用最廣泛的是高斯分布,但高斯分布模式本身是從對T I G焊電弧熱分布的實驗結果總結而來的,沒有考慮熔滴作用效果。

為了發明一個更好的熱源模型建立了圓錐熱源模型和有限元網格模型并將模擬結果與試驗結果相比較。計算結果表明所用模型能較好符合實際焊接過程，熔池形態與實際相一致。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種更加接近焊接實際情況的激光焊接溫度場熱源模型。

為了實現上述目的，設計一種激光焊接溫度場熱源模型,其特征在于:

A.建立圓錐熱源模型，其熱源函數可表述為方程如下：

Q₀＝ηP

式中Qv是體熱流密度，Q0是凈熱流，P是激光束能量，η是效率值，r是關于x和y的半徑函數，rc是關于深度z的熱分配系數，re和ri是最大和最小半徑，ze和zi是z方向最大最小值。

B.建立薄板有限元網格模型，焊接是一個溫度隨著空間和時間都急劇變化的過程，溫度梯度很大，因此網格劃分時采用非均分網格，逐級遞減，在焊縫金屬及其附近區域進行細分，而在遠離焊縫的地方網格則劃得較粗。在過渡區域采用兩次過渡，首先在垂直焊縫方向(xy平面)過渡2次，其次在上下表面 (xz平面)過渡2次。工件尺寸為150×150×3mm，150×150×5mm，150×150 ×7mm，整個模型由3D六面體單元25080個組成，節點數共29866個。

本發明的具體好處在于建立了激光焊接溫度場熱源模型，并與試驗結果進行了對比，發現模擬結果與試驗結果的誤差很小。并且結果表明所用模型能較好符合實際焊接過程，熔池形態與實際相一致，結合模型數據，提出熔化單位體積材料所需能量的概念，在全熔透的情況下，得到其數值基本保持一致，平均值為37.33J/mm3，據此，在一定的線能量條件下，可以得到焊縫截面面積。若已知焊縫正面熔寬，即可推知其背面熔寬。

具體實施方式

下面結合具體實驗數據，進一步說明本發明。

1.對3mm薄板，選取圓錐體熱源模型參數Ze＝3mm，Zi＝0mm，re＝1.75mm， ri＝1mm。邊界條件為上表面換熱系數10J/(s·m2·℃)，下表面換熱系數 20J/(s·m2·℃)。激光焊接參數Q0＝2000W，v＝1000mm/min。討論其溫度場分布情況，移動熱源加載公式為：

式中，x,y,z為坐標(m)，t為時間(s)。