[发明专利]一种激光-电弧复合焊接三维瞬态数值模拟方法

摘要

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。

主权项

1.一种激光‑电弧复合焊接三维瞬态数值模拟方法，包括建立几何模型步骤、设定初值步骤、更新时间步长步骤、更新物性参数步骤、求解电磁场步骤、空间间断分解步骤、计算气体区域状态步骤、计算工件区域状态步骤、更新熔池自由界面步骤和判断步骤，其特征在于：一、建立几何模型步骤：采用三维建模软件建立几何模型，所述几何模型为长方体，所述几何模型包括工件区域、电极区域和气体区域，工件区域为长方体，其长、宽与所述几何模型相同；电极区域为圆柱体或一端为圆锥体的圆柱体，电极区域为圆柱体时，电极区域中轴线与竖直方向夹角为0°～60°，电极区域为一端为圆锥体的圆柱体时，圆锥体底面直径与圆柱体直径相同；电极区域端部距离工件区域竖直距离1mm～10mm；所述气体区域为所述几何模型除工件区域、电极区域外的余下区域；所述几何模型除电极区域以外的区域为计算区域；再对所述计算区域采用网格划分软件进行网格划分，所述网格为长方体或正方体，长方体或正方体的边长为10μm～500μm；二、设定初值步骤：给定计算区域的边界条件：环境温度300～1000K，电极温度3000～3500K，环境压力0.1～10atm，工件底部电势0V；设定整个计算区域内每个网格中心点的物理量初始值：电势0V、电流密度0A/m2、磁场强度0T、速度0m/s、温度300～1000K、压力0.1～10atm、金属蒸汽质量百分含量0；设置累加时间变量tsum＝0，计算截止时间tend＝0.1～10s；设置时间步长Δti为初始时间步长Δt0，Δt0＝1×10‑7～1×10‑6s，进行步骤四；三、更新时间步长步骤：计算气体区域稳定计算的最大时间步长再计算工件区域稳定计算的最大时间步长取(Δt₀,Δt_g,Δt_m)三者的最小值作为更新的时间步长Δt_i，进行步骤四；其中,i＝1,2…，表示第i步计算，最大条件数C_max＝0.5～1.0，u_{g_x},u_{g_y},u_{g_z}分别为气体区域网格中心点的气体速度在x、y、z三个方向的分量，u_{m_x},u_{m_y},u_{m_z}分别为工件区域网格中心点的熔池速度在x、y、z三个方向的分量；Δx,Δy,Δz分别为网格在x、y、z三个方向的尺寸；四、更新物性参数步骤：设定整个计算区域内的物性参数：气体区域为保护气体和金属蒸汽的混合气体所充满，所述保护气体为氩气、氦气及二氧化碳中的一种或几种，金属蒸汽为工件材料的金属蒸汽；首次计算混合气体中金属蒸汽质量百分含量和温度为初值，下一时间步混合气体中金属蒸汽质量百分含量和温度由子步骤(7.2)及(7.3)获取；混合气体的电导率σe、密度ρg、粘度μg、比热容Cpg、导热系数kg及气体净辐射系数εN在每个网格中心处由混合气体组成和温度直接决定；工件区域工件材料为铁基合金或有色金属合金；相应的电导率σ_e、密度ρ_m、粘度μ_m、比热容C_pm、导热系数k_m、热膨胀系数β、表面张力系数γ、热毛细力系数工作势辐射率ε_r在每个网格中心处由工件材料和温度直接确定；五、求解电磁场步骤：求解整个计算区域内的电磁场：焊接过程中通入焊接电流，在整个计算区域内将产生电磁场，通过电极给定30～300A的焊接电流，计算获得整个计算区域内所有网格中心点的电势电流密度和磁感应强度分布，计算方程如下：其中，真空介电常数μ₀，网格中心点的磁失势梯度算子散度算子旋度算子拉普拉斯算子电导率σ_e则在计算时分别采用气体区域混合气体和工件区域工件材料相应的电导率；六、空间间断分解步骤：首次计算以工件区域上表面为界面、后续计算以更新的熔池自由界面为界面进行空间间断分解，将整体计算区域划分为气体区域和工件区域，气体区域为电弧‑金属蒸汽区、工件区域为工件固‑液区；定义界面边界点为熔池自由界面两侧网格中心点连线与熔池自由界面的相交点；七、计算气体区域状态步骤：依次计算气体区域的流场、温度场及金属蒸汽分布，包括以下子步骤：(7.1)计算气体区域流场：计算气体区域所有网格中心点的气体速度气体压力P_g，计算公式如下：其中为重力加速度；在气体区域和工件区域的熔池自由界面处,设定界面边界点的气体速度和气体压力P_{g_s}分别为：其中，蒸发反冲压力Pr，采用基于环境压力的反冲压力模型获取；(7.2)计算气体区域温度场：计算气体区域所有网格中心点的气体温度Tg，计算公式如下：其中，k_b:玻尔兹曼常数，e:元电荷，t:时间，微分算子；在气体区域和工件区域的熔池自由界面处，计算界面边界点进入气体区域的热流q_gas：其中Tgs、Tms分别为界面边界点的气体区域和工件区域的温度，采用虚拟流方法获取；keff为界面边界点的有效导热系数，keff＝0.5×(kg(Tgs)+kg(Tms))，kg(Tgs)、kg(Tms)分别为温度Tgs、Tms所对应的气体导热系数；δ为熔池自由界面的边界层的有效厚度，δ为0.1mm～0.4mm；(7.3)计算气体区域金属蒸汽扩散：计算气体区域内所有网格中心点的金属蒸汽质量百分含量Cvapor，计算公式如下：其中，D为金属蒸汽质量扩散系数，该值可通过第二粘性近似方法获取；在气体区域和工件区域的熔池自由界面处，设定各界面边界点金属蒸汽质量百分含量Cvapor：八、计算工件区域状态步骤：依次计算工件区域的流场与温度场，包括以下子步骤：(8.1)计算工件区域流场：计算工件区域所有网格中心点的熔池速度熔池压力P_m，计算公式如下：其中，工件区域网格中心点的温度Tm，首次计算时取环境温度；下一时间步计算采用上一个时间步(7.2)的计算值；参考温度Tref，取工件材料熔点温度；K、C分别为渗流系数和弛豫系数，与液相率fl密切相关：其中，d为与枝晶间距的尺寸密切相关的常数，d＝0.05mm～0.5mm；液相率fl与温度呈线性关系：其中，Tl、Ts分别是工件材料的液相线温度和固相线温度；在气体区域和工件区域的熔池自由界面处,计算界面边界点的熔池法向压力P_f和熔池切向力其中分别为熔池自由界面的法向量与切向量，κ为熔池自由界面曲率，P_eff为气体区域对工件区域的有效压力，取P_eff＝max(P_r,P_g)；(8.2)计算工件区域温度场：计算工件区域所有网格中心点的温度Tm，计算公式如下：其中，工件对激光的能量吸收qlaser，采用光线追踪方法获取；所述激光为光纤激光或Nd:YAG激光，功率100W～10000W，光斑半径0.1mm～0.5mm；在气体区域和工件区域的熔池自由界面处，计算界面边界点进入工件区域的热流qmatel：其中，σ为斯特藩‑玻尔兹曼常数，T∞为环境温度，qevap为蒸发热损失；九、更新熔池自由界面步骤：通过工件区域所有网格中心点的熔池速度计算区域内各网格中心点到界面的距离φ，所获得的φ＝0的等值面即为更新的熔池自由界面，计算公式如下：熔池自由界面的法向量和曲率求解如下：所述步骤五～步骤九中，所涉及的计算方程全部采用有限差分方法或有限体积方法进行离散，并在时间步长Δti内进行求解；十、判断步骤：将tsum+Δti的值赋给tsum，判断是否tsum＜tend，是则转步骤三，更新时间步长，否则结束计算。