[发明专利]T型接头双激光束双侧同步焊接熔池流场的模拟方法

摘要

本发明涉及一种T型接头双激光束双侧同步焊接熔池流场的模拟方法，尤其针对工件进行双侧同步焊接时形成的联合熔池。其步骤包括建立联合熔池三维温度场与流场模型，通过方程控制流场模型，基于CFD软件（计算流体力学软件）求解控制方程，得到结果。本发明提供的T型接头双激光束双侧同步焊接熔池流场的模拟方法针对T型结构双激光束双侧同步焊接过程，建立了双激光束共同作用下的熔池流场模型，同时考虑焊接过程中的流固相变问题作用，通过对流场模型求解获得了准确的动态流场细节，计算结果与实验结果吻合良好。

主权项

一种T型接头双激光束焊接熔池流场的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：建立联合熔池三维温度场与流场模型在CAD软件(计算机辅助设计软件)中建立工件的几何模型，对工件进行网格划分；网格划分是指网格划分统一采用六面体单元，靠近焊缝的区域采用单元较小的加密型网格，离焊缝越远，网格尺寸越大；第二步：针对第一步完成的流场模型建立控制方程控制方程由如下能量方程、动量方程、连续性方程构成，分别为能量方程： ∂ ( ρh ) ∂ t + ▿ ( ρu i h ) = ▿ ( k C p ▿ h ) + S h 动量方程： ∂ ( ρu i ) ∂ t + ▿ ( ρu i u j ) = ▿ ( μ ▿ u i ) + μ K ( u i - V ) + S ui 连续性方程： ∂ ρ ∂ t + ▿ ( ρu i ) = 0 公式中ρ是材料密度，ui与uj熔融金属在x，y方向速度，k是导热系数；V是焊接速度；Cp是定压比热容；h是焓；μ是粘度；Sh是能量方程源项；Sui是动量方程源项；t是时间；K是渗透率函数；上述K渗透率函数必须遵循如下方程： K = f L 3 D ( 1 - f L ) 2 上述公式中fL为液相体积分数；D为与fL相关的Darcy(达西)常数； 在液相区fL＝1；在固相区fL＝0；在固液交界的糊状区，0＜fL＜1；上述能量方程中源项Sh通过如下方程控制热量输入大小： S h = - ∂ ( ρΔH ) ∂ t - ▿ ( ρu i ΔH ) + q ( x , y , z ) 上述公式中q(x，y，z)是点(x，y，z)处的热流密度值；ΔH为相变潜热值；其中q(x，y，z)的热流密度值由如下公式控制数值大小： q ( x , y , z ) = 3 c s Q π H 0 ( 1 - e - 3 ) exp [ - 3 c s log ( H 0 z ) ( x 2 + y 2 ) ] 公式中H0是体热源的高度；Q是激光束的有效功率；cS是热源形状集中系数；第三步：基于CFD软件(计算流体力学软件)求解控制方程，进行流场计算：将建立完成的流场模型导入CFD软件，设置热源边界条件及控制热源位置，将双激光束的热源作为附加源项加入能量方程，采用层流模拟进行计算，采用求解压力耦合的质量、动量、能量传递方程的半隐式方法进行迭代求解直至结果收敛，得到焊接过程中的速度场、温度场和液相体积分数分布，导出计算结果。