电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统

【技术实现步骤摘要】
电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法


[0001]本专利技术涉及电子束倾斜焊接分析领域，特别是涉及一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统
、
热力学仿真方法
。

技术介绍

[0002]电子束焊接是利用汇聚的高速电子轰击工件产生热能使金属融合的一种焊接方法
。
由于其能量密度高，深宽比大，焊接变形小及良好的可控性和可达性等优点，在航空航天
、
轨道交通
、
汽车船舶等领域得到了广泛应用
。
[0003]电子束焊接极快的热循环使得焊缝附近出现很大的温度梯度，引发焊后结构中的残余应力和变形，影响焊接结构质量和使用性能
。
此外，匙孔内金属汽化会产生气泡，匙孔端部钉尖区域的失稳和波动也会形成孔隙，这些气泡和孔隙缺陷主要受焊缝区温度场及熔融金属流动的影响
。
因此，对电子束焊热过程进行深入研究具有重要意义
。
近期已有研究者提出了倾斜电子束焊接的方式，即：改变电子束的入射方向，使其与重力方向倾斜入射
。
电子束倾斜后，热源作用方向和区域的改变会影响焊缝区的温度分布以及熔池内金属的流动行为，有利于减少气孔缺陷
。
[0004]数值仿真分析是深入探讨焊接过程温度场的重要方法，与试验相比，能够更加全面
、
深入地研究焊接过程中温度场的时间
、
空间分布及演变规律
。
热源模型是焊接仿真分析的基础和关键，从本质上决定着温度场仿真的合理性和有效性
。
目前电子束垂直焊接的热源模型较多，而电子束倾斜焊接的热源模型还未见报道
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统
、
仿真方法，提出了一种电子束倾斜焊接的面
、
体复合热源模型，该热源模型的提出为深入研究电子束倾斜焊接温度场
、
应力场和变形场提供了重要基础，能为提高电子束焊接质量提供有效的工艺控制方法
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法，所述构建方法包括：
[0008]根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度
、
熔池底部宽度和熔池深度；
[0009]根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率；
[0010]计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴
、
椭圆短轴和椭圆半径；
[0011]计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参
数包括椭圆台的体积和任意
z
平面的椭圆半径；
[0012]根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面
、
倾斜椭圆台体的复合热源模型
。
[0013]可选的，计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，具体包括：
[0014]确定电子束倾斜焊接时，依据试验熔池上表面宽度确定所述椭圆短轴；
[0015]根据所述椭圆短轴和电子束倾斜角度确定所述椭圆长轴；
[0016]选取所述椭圆高斯面热源模型对应的椭圆面内的任一点
P
，确定所述椭圆面中热源中心与点
P
沿径向的延长线与椭圆边界线的交点的第一横纵坐标；
[0017]根据所述交点的第一横纵坐标计算所述椭圆半径
。
[0018]可选的，所述椭圆高斯面热源模型的热流密度的表达式为：
[0019][0020]其中，
q
S
(x
p
,y
p
)
表示椭圆面内任意点
P(x
p
，
y
p
，
z
u
)
的热流密度；
k
表示电子束的能量集中系数；
b
s
表示椭圆短轴；
P
s
表示面能量功率；
θ
表示电子束倾斜角度；
r
表示
P
点
(x
p
，
y
p
，
z
u
)
到当前热源中心的距离；
r
se
表示椭圆半径
。
[0021]可选的，计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，具体包括：
[0022]确定所述倾斜椭圆台体热源模型的椭圆台的体积；
[0023]确定椭圆台内任意一个
z
平面，记为
z
n
平面；
[0024]在所述
z
n
平面内选取任意一个点
N
，确定所述
z
n
平面的热源中心与点
N
沿径向的延长线与
z
n
平面椭圆边界线的交点的第二横纵坐标；
[0025]根据所述交点的第二横纵坐标计算所述
z
n
平面的所述椭圆半径
。
[0026]可选的，所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度的表达式为：
[0027][0028]其中，
q
V
(x
n
,y
n
,z
n
)
表示
z
n
平面椭圆内的任意点
N(x
n
,y
n
,z
n
)
的的热流密度；
k
表示电子束的能量集中系数；
P
v
表示体能量功率；
V
椭圆台
表示椭圆台的体积；
r
z
为
N
点到
z
n
水平面上热源中心的距离，
r
ze
为
N
点在
z
n
水平面上对应的椭圆半径
。
[0029]本专利技术还提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建系统，所述构建系统包括：
[0030]熔池尺寸确定模块，用于根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度
、
熔池底部宽度和熔池深度；
[0031]面能量和体能量功率模块，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法，其特征在于，所述构建方法包括：根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度
、
熔池底部宽度和熔池深度；根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率；计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴
、
椭圆短轴和椭圆半径；计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意
z
平面的椭圆半径；根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面
、
倾斜椭圆台体的复合热源模型
。2.
根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，具体包括：确定电子束倾斜焊接时，依据试验熔池上表面宽度确定所述椭圆短轴；根据所述椭圆短轴和电子束倾斜角度确定所述椭圆长轴；选取所述椭圆高斯面热源模型对应的椭圆面内的任一点
P
，确定所述椭圆面中热源中心与点
P
沿径向的延长线与椭圆边界线的交点的第一横纵坐标；根据所述交点的第一横纵坐标计算所述椭圆半径
。3.
根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，所述椭圆高斯面热源模型的热流密度的表达式为：其中，
q
S
(x
p
,y
p
)
表示椭圆面内任意点
P(x
p
，
y
p
，
z
u
)
的热流密度；
k
表示电子束的能量集中系数；
b
s
表示椭圆短轴；
P
s
表示面能量功率；
θ
表示电子束倾斜角度；
r
表示
P
点
(x
p
，
y
p
，
z
u
)
到当前热源中心的距离；
r
se
表示椭圆半径
。4.
根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，具体包括：确定所述倾斜椭圆台体热源模型的椭圆台的体积；确定椭圆台内任意一个
z
平面，记为
z
n
平面；在所述
z
n
平面内选取任意一个点
N
，确定所述
z
n
平面的热源中心与点
N
沿径向的延长线与
z
n
平面椭圆边界线的交点的第二横纵坐标；根据所述交点的第二横纵坐标计算所述
z
n
平面的所述椭圆半径
。5.
根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度的表达式为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘其鹏，高月华，王善林，徐睦忠，柯黎明，
申请(专利权)人：浙江巴顿焊接技术研究院，
类型：发明
国别省市：