[发明专利]一种电子束焊仿真方法、装置及设备

说明书

本发明提供了一种电子束焊仿真方法、装置及设备，方法包括：获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与边界条件对应的控制方程组；基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取修正后的电子束加热热源；以电子束热源为源项，基于时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据熔池流动场获取熔池的当前形貌；基于时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。本发明实现了电子束能量在动态匙孔壁面上的准确加载，能够对电子束焊接机理、工艺的设计及优化提供指导。

技术领域

本发明涉及电子束焊接技术领域，具体而言，涉及一种电子束焊仿真方法、装置及设备。

背景技术

电子束焊接属于一种先进的熔焊技术，焊接过程中通过高能电子束流作用于置于真空中的焊件，使焊件发生熔化从而实现焊接。电子束焊接由于具有焊接深度大、缺陷少、工艺重复性好及热变形量小的优点，特别适用于厚板的高质量焊接，广泛应用于航空航天、核电、国防及军工等高端制造领域。

电子束焊接过程存在复杂的物理现象，在高能电子束流的作用下，材料在非常短的时间内发生熔化、气化及凝固现象，产生熔池、小孔及金属蒸汽。在毫米级区域内存在着极高温、高速、瞬时等剧烈的物理变化。此外，电子束焊接在真空环境下进行，难以采用实验的方法对焊接过程进行焊接机理的研究。数值模拟方法能再现电子束焊接过程中复杂的物理演变过程，对于电子束焊接的机理研究，缺陷形成机制以及工艺优化具有重要潜在应用价值。因此，数值模拟在电子束焊接研究中具有重要意义。

但是，传统的电子束焊接模型过于简化，大多采用高斯体热源模型或固定小孔模型对焊接过程进行模拟，且需要根据实际的焊缝确定热源模型。现有的电子束焊仿真功率密度受二次电子吸收影响，且无法实现动态匙孔壁面上的准确加载，也就无法真实再现电子束焊接过程中的瞬态小孔熔池的动力学演变过程，无法对焊缝的形貌及尺寸进行有效预测。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种电子束焊仿真方法及装置，以改善现有技术中电子束焊仿真精度低的问题。

本发明实施例提供了一种电子束焊仿真方法，包括如下步骤：

获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；

获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组；

基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源；

以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌；

基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

优选的，所述基于二次电子吸收修正电子束功率密度，具体包括：

获取电子束横截面上的电流密度j_e分布：

其中，U_e为加速电压、I_e为电子束电流、d_e为束流直径、j_e(x,y)为电子束横截面上(x,y)点处的电流密度；

获取总吸收系数，则电子束在匙孔表面的吸收分布为：

q(x,y,Z_K)＝ε·U_ej_e，

其中，