專利名稱：T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接熔池流場的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及一種T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接熔池流場的模擬方法，尤其針對工件進(jìn)行雙側(cè)同步焊接時形成的聯(lián)合熔池。
背景技術(shù)：
飛機壁板蒙皮桁條T型連接結(jié)構(gòu)的雙激光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)由于能極大地減輕機身構(gòu)件的重量，具有生產(chǎn)效率高、氣密性好等優(yōu)點，同時避免了對底板(蒙皮)完整性的破壞，因而被認(rèn)為是航空制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。飛機壁板蒙皮桁條T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接成功避免了對蒙皮完整性的破壞，具有極大的優(yōu)越性，已經(jīng)在空中客車公司的產(chǎn)品A318、A340、A380中得到廣泛采用。然而，由于激光焊接本身的不穩(wěn)定性和焊接工藝的復(fù)雜性等特點，目前國內(nèi)尚未掌握機身壁板蒙皮桁條T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接的成熟工藝。而其中最關(guān)鍵的問題就是對于焊接過程中熔池的動態(tài)演變行為及焊縫缺陷的形成機理研究并未透徹。對于激光深熔焊接而言，被焊金屬在高能束激光作用下迅速熔化和汽化，在熔池正中間形成充滿金屬蒸氣的狹長“匙孔”，因此在激光作用區(qū)域，多相共同存在且互相影響。同時，激光深熔焊接過程中工件受到的匙孔正上方致密等離子體和匙孔效應(yīng)的共同加熱作用。以上兩方面問題的存在使得激光深熔焊接熔池流場行為的研究遇到極大的困難。在國內(nèi)，已有不少學(xué)者針對激光深熔焊接的流場進(jìn)行了卓有成效的研究。然而，現(xiàn)有的研究存在以下幾個方面的問題第一，目前針對激光深熔焊接熔池流場的計算模擬都是針對平板單激光束焊接，對于T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接這種全新的焊接工藝，雙激光束在肋板正下方形成聯(lián)合熔池，其流動狀態(tài)更為復(fù)雜，針對此種特殊結(jié)構(gòu)流場的研究目前未見報道；第二，目前針對激光深熔焊接熔池流場的模擬都是基于大量的近似和假設(shè)，例如將匙孔假設(shè)為一定形狀，這些假設(shè)雖然大大簡化了建模和計算過程，但是也難以達(dá)到合理的模擬和預(yù)測效果；第三，國內(nèi)大量學(xué)者建立的激光深熔焊接熔池模型大都是將計算區(qū)域的材料作為單相進(jìn)行處理，很少在建立模型的同時考慮材料的相變問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接聯(lián)合熔池流場計算存在的困難，重點考慮雙激光束的相互作用及針對本模型的材料流固相變處理方法，為T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接聯(lián)合熔池流場提供一種簡便、行之有效的建模和計算方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，所采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明所述的一種T型接頭雙激光束焊接熔池流場的模擬方法，包括如下步驟第一步建立聯(lián)合熔池三維溫度場與流場模型在CAD軟件(計算機輔助設(shè)計軟件)中建立工件的幾何模型，對工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格劃分是指網(wǎng)格劃分統(tǒng)一采用六面體單元，靠近焊縫的區(qū)域采用單元較小的加密型網(wǎng)格，離焊縫越遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺寸越大；
第二步針對第一步完成的流場模型建立控制方程控制方程由如下能量方程、動量方程、連續(xù)性方程構(gòu)成，分別為能量方程
權(quán)利要求
1.一種T型接頭雙激光束焊接熔池流場的模擬方法，其特征在于 包括如下步驟 第一步建立聯(lián)合熔池三維溫度場與流場模型 在CAD軟件(計算機輔助設(shè)計軟件)中建立工件的幾何模型，對工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格劃分是指網(wǎng)格劃分統(tǒng)一采用六面體單元，靠近焊縫的區(qū)域采用單元較小的加密型網(wǎng)格，離焊縫越遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺寸越大； 第二步針對第一步完成的流場模型建立控制方程 控制方程由如下能量方程、動量方程、連續(xù)性方程構(gòu)成，分別為 能量方程^1 + V(puth) = v(^vh] + Sh dtVcP J 動量方程OtK 連續(xù)性方程 + V“) = 0 公式中P是材料密度，Ui與+熔融金屬在X，y方向速度，k是導(dǎo)熱系數(shù)；V是焊接速度；Cp是定壓比熱容出是丨含；μ是粘度；Sh是能量方程源項{^是動量方程源項；t是時間；K是滲透率函數(shù)； 上述K滲透率函數(shù)必須遵循如下方程 K= 拉(ι - fj 上述公式中4為液相體積分?jǐn)?shù)；D為與4相關(guān)的Darcy (達(dá)西)常數(shù)；在液相區(qū)4 =I ;在固相區(qū)4 = 0 ;在固液交界的糊狀區(qū)，O < fL < I ;上述能量方程中源項Sh通過如下方程控制熱量輸入大小 sh = -[Pu Ah)+Ot 上述公式中q(x，y，z)是點(x, y, z)處的熱流密度值；ΔΗ為相變潛熱值；其中q(x,y，z)的熱流密度值由如下公式控制數(shù)值大小 ( \Q- 3c ( 2 2\ Q\X, r, Z)=————^ exp ——\x + y )湞 o(i - e- logr_ \z J_ 公式中Htl是體熱源的高度；Q是激光束的有效功率；cs是熱源形狀集中系數(shù)； 第三步基于CFD軟件(計算流體力學(xué)軟件)求解控制方程，進(jìn)行流場計算將建立完成的流場模型導(dǎo)入CFD軟件，設(shè)置熱源邊界條件及控制熱源位置，將雙激光束的熱源作為附加源項加入能量方程，采用層流模擬進(jìn)行計算，采用求解壓力耦合的質(zhì)量、動量、能量傳遞方程的半隱式方法進(jìn)行迭代求解直至結(jié)果 收斂，得到焊接過程中的速度場、溫度場和液相體積分?jǐn)?shù)分布，導(dǎo)出計算結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接熔池流場的模擬方法，尤其針對工件進(jìn)行雙側(cè)同步焊接時形成的聯(lián)合熔池。其步驟包括建立聯(lián)合熔池三維溫度場與流場模型，通過方程控制流場模型，基于CFD軟件(計算流體力學(xué)軟件)求解控制方程，得到結(jié)果。本發(fā)明提供的T型接頭雙激光束雙側(cè)同步焊接熔池流場的模擬方法針對T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接過程，建立了雙激光束共同作用下的熔池流場模型，同時考慮焊接過程中的流固相變問題作用，通過對流場模型求解獲得了準(zhǔn)確的動態(tài)流場細(xì)節(jié)，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。
文檔編號G06F17/50GK102708237SQ201210129448
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者占小紅, 張新建, 李 昊, 歐陽自鵬, 蘇陽, 陳潔, 魏艷紅 申請人:上海飛機制造有限公司, 南京航空航天大學(xué)