专利名称：T型接头双激光束双侧同步焊接熔池流场的模拟方法
技术领域：
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。
背景技术：
飞机壁板蒙皮桁条T型连接结构的双激光束双侧同步焊接技术由于能极大地减轻机身构件的重量，具有生产效率高、气密性好等优点，同时避免了对底板(蒙皮)完整性的破坏，因而被认为是航空制造业中的一次技术革命。飞机壁板蒙皮桁条T型结构双激光束双侧同步焊接成功避免了对蒙皮完整性的破坏，具有极大的优越性，已经在空中客车公司的产品A318、A340、A380中得到广泛采用。然而，由于激光焊接本身的不稳定性和焊接工艺的复杂性等特点，目前国内尚未掌握机身壁板蒙皮桁条T型接头双激光束双侧同步焊接的成熟工艺。而其中最关键的问题就是对于焊接过程中熔池的动态演变行为及焊缝缺陷的形成机理研究并未透彻。对于激光深熔焊接而言，被焊金属在高能束激光作用下迅速熔化和汽化，在熔池正中间形成充满金属蒸气的狭长“匙孔”，因此在激光作用区域，多相共同存在且互相影响。同时，激光深熔焊接过程中工件受到的匙孔正上方致密等离子体和匙孔效应的共同加热作用。以上两方面问题的存在使得激光深熔焊接熔池流场行为的研究遇到极大的困难。在国内，已有不少学者针对激光深熔焊接的流场进行了卓有成效的研究。然而，现有的研究存在以下几个方面的问题第一，目前针对激光深熔焊接熔池流场的计算模拟都是针对平板单激光束焊接，对于T型接头双激光束双侧同步焊接这种全新的焊接工艺，双激光束在肋板正下方形成联合熔池，其流动状态更为复杂，针对此种特殊结构流场的研究目前未见报道；第二，目前针对激光深熔焊接熔池流场的模拟都是基于大量的近似和假设，例如将匙孔假设为一定形状，这些假设虽然大大简化了建模和计算过程，但是也难以达到合理的模拟和预测效果；第三，国内大量学者建立的激光深熔焊接熔池模型大都是将计算区域的材料作为单相进行处理，很少在建立模型的同时考虑材料的相变问题。
发明内容
本发明的目的是针对T型接头双激光束双侧同步焊接联合熔池流场计算存在的困难，重点考虑双激光束的相互作用及针对本模型的材料流固相变处理方法，为T型接头双激光束双侧同步焊接联合熔池流场提供一种简便、行之有效的建模和计算方法。本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下本发明所述的一种T型接头双激光束焊接熔池流场的模拟方法，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
权利要求
1.一种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^1 + V(puth) = v(^vh] + Sh dtVcP J 动量方程OtK 连续性方程 + V“) = 0 公式中P是材料密度，Ui与+熔融金属在X，y方向速度，k是导热系数；V是焊接速度；Cp是定压比热容出是丨含；μ是粘度；Sh是能量方程源项{^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= 拉(ι - fj 上述公式中4为液相体积分数；D为与4相关的Darcy (达西)常数；在液相区4 =I ;在固相区4 = 0 ;在固液交界的糊状区，O < fL < I ;上述能量方程中源项Sh通过如下方程控制热量输入大小 sh = -[Pu Ah)+Ot 上述公式中q(x，y，z)是点(x, y, z)处的热流密度值；ΔΗ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- 3c ( 2 2\ Q\X, r, Z)=————^ exp ——\x + y )浈 o(i - e- logr_ \z J_ 公式中Htl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。
全文摘要
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。
文档编号G06F17/50GK102708237SQ201210129448
公开日2012年10月3日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者占小红, 张新建, 李 昊, 欧阳自鹏, 苏阳, 陈洁, 魏艳红 申请人:上海飞机制造有限公司, 南京航空航天大学