[发明专利]激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光熔深焊接过程中的能量转换与传热模型的建立方法，属于焊接数值模拟领域。

背景技术

激光焊接的数值模拟技术已成为分析激光焊接热力学、动力学过程及温度场、应力场、变形与组织预测的重要手段。激光焊接数值模拟技术的关键就是建立合理的能量转换及传热模型。目前激光深熔焊接的热源模型主要有线热源、面热源、体积热源模型及点、线、面、体积相结合的复合热源模型。这些模型大多不考虑激光与光致等离子体之间的能量转换与耦合，未考虑激光、等离子体与材料作用的特点，将激光与等离子体的作用均简单处理为热作用；多数模型没有考虑熔池液相的流动对小孔和熔池形貌的影响，也没有建立小孔形态和热源模型的关系，未经热力学与动力学计算分析，直接将热源的边界抽象成直线、圆柱形、锥形或其他曲线。实际上，激光对材料的作用机制和等离子体对材料作用的机制本质上不同，在小孔形成前，材料直接从激光获取能量，在小孔形成后，激光提供维系等离子体的能量，同时，在焊接过程中和等离子体一直处于能量耦合状态，并且一起提供产生维系小孔的气团能量。小孔的边界一直是激光与等离子体的主要作用区域，并且小孔的形态直接关系到能量的作用面积，与能量的转换和耦合密切相关，和热源模型的边界应该有着紧密的依赖关系，因此，这些模型与实际情况相比，还有明显的偏差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法。通过该方法所建立的激光熔深焊接模型，与现有的点热源模型、面热源模型、体积热源模型相比，能够更为真实地反映出激光熔深焊接过程中能量的传输和转换，与实际的焊缝更为接近，同时该模型也是一种自洽性模型。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种激光熔深焊接的能量耦合自洽模型建立方法，包括以下步骤：（1）、测量激光的表征参数、选取熔池和等离子体区域的参考点、测量激光熔深焊接过程中参考点的温度；所述激光的表征参数至少包括激光的功率、功率密度、发射角以及光斑直径；（2）、首先，分别采用特征变量函数φ(Φ_p,φ_H,φ_w)表征激光输入能量的分配系数、特征变量函数λ(λ_p,λ_L)表征等离子体-熔池与激光-熔池的耦合系数，其中：Φ_p、φ_H、φ_w分别是维系光致等离子体的能量、作用在小孔壁上的能量、其他损失能量与激光输入能量的比值，Φp+φH +φw=1；λ_p、λ_L分别是……，且λ_p、λ_L的取值均在0-1之间；然后分别对φ(Φ_p,φ_H,φ_w)、λ(λ_p,λ_L)设置初始值以及相应的增量步长；（3）、根据激光熔深焊接的控制方程，给定相应激光熔深焊接的边界条件，以计算出激光熔深焊接的温度场和应力场；（4）、根据步骤（3）所计算出的温度场，获取各参考点所对应的温度计算值后，将各参考点的温度计算值和步骤（1）中相应参考点的温度测量值之差的绝对值δ与预设误差值δ₁进行比较：若大于δ₁，返回步骤（2）进行φ(Φ_p,φ_H,φ_w) 的变量赋值，继续下一个增量步计算；若小于δ₁，转入下一步骤的计算；（5）、根据温度场的分布，计算熔池形状；（6）、根据小孔壁面上的力平衡方程，计算小孔形状函数；（7）将小孔边界温度与步骤（3）所述温度场中气液界面温度之差的绝对值与预设误差值δ₂比较，若大于δ₂，返回步骤（2）进行λ(λ_p,λ_L) 的变量赋值，继续下一个增量步计算；若小于δ₂，转入下一步骤的计算；（8）、输出计算结果。