本发明涉及温度场热源模型技术领域，具体来说是一种激光焊接温度场热源模型。
背景技术：
所谓的焊接温度场热源模型,可以认为是对作用于焊件上的、在时间域和空间域上的热输入分布特点的一种数学表达。到目前为止,用于焊接数值模拟中的所有焊接温度场热源模型大都不随时间而发生变化,也就是认为在焊接进行过程中热源模型是不发生变化的,即静态焊接热源模型。目前基本上有四种焊接热流分布模式,即均匀分布、高斯分布、衰减分布和结合型分布。均匀分布与实际焊接过程中的热流分布特征不太相符,而衰减分布仅见于激光焊的数值模拟中且应用不广。目前应用最广泛的是高斯分布,但高斯分布模式本身是从对tig焊电弧热分布的实验结果总结而来的,没有考虑熔滴作用效果。
为了发明一个更好的热源模型建立了圆锥热源模型和有限元网格模型并将模拟结果与试验结果相比较。计算结果表明所用模型能较好符合实际焊接过程，熔池形态与实际相一致。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种更加接近焊接实际情况的激光焊接温度场热源模型。
为了实现上述目的，设计一种激光焊接温度场热源模型,其特征在于:
a.建立圆锥热源模型，其热源函数可表述为方程如下：
q0＝ηp
式中qv是体热流密度，q0是净热流，p是激光束能量，η是效率值，r是关于x和y的半径函数，rc是关于深度z的热分配系数，re和ri是最大和最小半径，ze和zi是z方向最大最小值。
b.建立薄板有限元网格模型，焊接是一个温度随着空间和时间都急剧变化的过程，温度梯度很大，因此网格划分时采用非均分网格，逐级递减，在焊缝金属及其附近区域进行细分，而在远离焊缝的地方网格则划得较粗。在过渡区域采用两次过渡，首先在垂直焊缝方向(xy平面)过渡2次，其次在上下表面(xz平面)过渡2次。工件尺寸为150×150×3mm，150×150×5mm，150×150×7mm，整个模型由3d六面体单元25080个组成，节点数共29866个。
本发明的具体好处在于建立了激光焊接温度场热源模型，并与试验结果进行了对比，发现模拟结果与试验结果的误差很小。并且结果表明所用模型能较好符合实际焊接过程，熔池形态与实际相一致，结合模型数据，提出熔化单位体积材料所需能量的概念，在全熔透的情况下，得到其数值基本保持一致，平均值为37.33j/mm3，据此，在一定的线能量条件下，可以得到焊缝截面面积。若已知焊缝正面熔宽，即可推知其背面熔宽。
具体实施方式
下面结合具体实验数据，进一步说明本发明。
1.对3mm薄板，选取圆锥体热源模型参数ze＝3mm，zi＝0mm，re＝1.75mm，ri＝1mm。边界条件为上表面换热系数10j/(s·m2·℃)，下表面换热系数20j/(s·m2·℃)。激光焊接参数q0＝2000w，v＝1000mm/min。讨论其温度场分布情况，移动热源加载公式为：
式中，x,y,z为坐标(m)，t为时间(s)。
加热过程为9s，冷却时间为991s，此时，焊缝中心最高温度为3374℃，远大于熔化温度1450℃，所以实际情况下焊缝中心存在熔池金属的流动现象。焊缝附近出现很大温度梯度，在时间和空间域内形成不均匀的温度场。熔池形貌类似于圆锥小孔形状，前半部分温度变化梯度大，后半部分温度变化梯度小，与实际情况相符合。
选取焊缝横截面上的两条路径(一条位于上表面，一条位于下表面)，测量其熔化宽度，此时，正面熔宽为2.85mm，背面熔宽为1.7mm。对于特定厚度的板，找出其合适的热源模型参数需要进行多次试验，利用正交试验设计原理，选定圆锥体热源模型的效率、最大半径和最小半径这三个因素及多水平，设计正交表来找出最合适的模型参数。
对于3mm板，在全熔透时，其深熔焊接试验结果如表1所示。经过正交试验探索，选取一组圆锥体热源模型参数：ze＝3mm，zi＝0mm，re＝2mm，ri＝0.6mm，效率η＝0.52，其模拟结果与试验结果的平均误差为4.8％，说明该模型能较好符合试验结果。
表13mm板试验结果
同理，对于5mm板，其深熔焊接试验结果如表2所示。同样经过正交试验探索，选取一组圆锥体热源模型参数：ze＝5mm，zi＝0mm，re＝2.3mm，ri＝0.7mm，效率η＝0.75，其模拟结果与试验结果的平均误差为7.7％，说明所用热源模型参数能较好符合试验结果。
表25mm板试验结果
对于7mm板，当线能量足够大时才能发生全熔透现象，其试验结果如表3所示。此时选取圆锥体热源模型参数为：ze＝7mm，zi＝0mm，re＝2mm，ri＝0.9mm，效率η＝0.77，其模拟结果与试验结果的平均误差为3.1％，所用热源模型参数也能较好符合试验结果。
表37mm板试验结果
综上所述，随着板厚的增加，激光吸收效率逐渐增加，这主要是因为激光在工件内部传递的路径增加，但同时由于工件表面的反射和等离子体对激光的散射作用，导致激光吸收效率最后会趋于最大值，此co2激光焊接设备的最大激光吸收效率约为0.8。另一方面，随着板厚的变化，所用圆锥体热源模型的参数也在不断变化。