[发明专利]一种激光-电弧复合焊接三维瞬态数值模拟方法

说明书

一种激光‑电弧复合焊接三维瞬态数值模拟方法，解决当前激光电弧焊接模拟方法存在的未实现整体计算、不能真实再现复合焊接过程的问题，本发明包括建立几何模型、设定初值、更新时间步长、更新物性参数、求解电磁场、空间间断分解、计算气体区域状态、计算工件区域状态、更新熔池自由界面步骤和判断步骤，本发明通过工件的瞬时界面将整体区域空间间断分解为气体区域和工件区域分别进行求解，并在极小时间步内采用边界加载的方式来实现两个区域的双向顺序耦合。本发明实现了激光‑TIG电弧复合焊接的小孔、熔池、等离子体、金属蒸汽演变规律的整体精确数值求解，可用于激光电弧复合焊接的理论研究及工艺优化。

技术领域

本发明属于焊接数值仿真方法，具体涉及一种激光-电弧复合焊接三维瞬态数值模拟方法。

技术背景

激光-电弧复合焊接能够结合激光和电弧两种热源的优势，实现优势互补；与电弧焊接相比，激光-电弧复合焊接具有熔深大、速度高、残余应力及形变小；与激光焊接相比，激光-电弧复合焊接桥接能力增强，焊缝成分易调节，冷脆相倾向减小，小孔稳定性提高。激光-电弧复合焊接所具有的独特优势，能够实现高质量高效的焊接制造，使其成为一种具有广阔的应用前景的焊接技术，在海洋、核电等领域已有重要应用。

激光-电弧复合焊接过程如图1所示，激光、电弧直接作为热源作用在材料上，使材料发生熔化、气化和电离等多物态转变，产生熔池、小孔、光致金属蒸汽/等离子体、电弧等离子体等并存，在毫米级区域内存在着极高温、高压、高速、瞬时等剧烈物理变化，这些复杂的物理过程及特点使得难以采用实验方法对复合焊接机理进行深入研究。同时激光-电弧复合焊接结合了两种热源，其工艺参数进一步增加，也给通过实验方法来获得最优工艺参数带来了更多的困难。采用数值模拟的方法能够对激光-电弧复合焊接过程的各个物理量及其演变规律进行可视化的定量分析，能够揭示焊接过程中小孔、熔池、等离子体、金属蒸汽随时间的演变规律，因此数值模拟在激光-电弧复合焊接研究中的应用具有重要意义。

激光-电弧复合焊接过程极为复杂，物理建模困难，界面两侧的密度、温度、电势、速度等在极小空间尺度内发生突变，导致界面附近具有大梯度、高度非线性的特点，采用统一求解的双相流模型求解困难，且难以获得界面位置的精确求解。针对上述困难，本领域技术人员要么忽略电弧及金属蒸汽仅计算熔池，见Z Gao,et al.Analysis of weld pooldynamic during stationary laser–MIG hybrid welding.The International Journalof Advanced Manufacturing Technology,2009,44(9-10):870，要么忽略熔池仅计算电弧，见Y.T.Cho,et al.Numerical analysis of hybrid plasma generated by Nd:YAGlaser and gas tungsten arc.OpticsLaser Technology,2011,43(3):711-720，目前，尚未有对激光-电弧复合焊的整体数值计算实现的报道。然而复合焊接过程中等离子体的行为将直接决定对熔池的热力作用，而熔池的局部剧烈蒸发所产生的金属蒸汽也将改变等离子体的组成及性质。因此，仅计算熔池或仅计算电弧的方式，所获得的结果不能真实再现复合焊接过程，也不利于激光-电弧复合焊接的相互作用机理的研究。

发明内容

本发明提供一种激光-电弧复合焊接三维瞬态数值模拟方法，解决当前激光电弧焊接模拟方法存在的未实现整体计算、不能真实再现复合焊接过程的问题，能够实现对激光-TIG电弧复合焊接过程中的熔化、凝固、蒸发行为，电弧等离子体、激光羽辉气体和金属熔池的传热流动，以及电磁场演化进行一体化模拟计算，能够更加全面而真实的再现物理过程，方便进行更深入的理论研究，能进一步的促进激光-电弧复合焊接的工程化应用。