[发明专利]一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法

说明书

本发明公开了一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体‑热电磁效应模拟方法，属于焊接过程多物理场数值模拟技术领域。该方法基于连续性方程、N‑S方程、能量方程及电流守恒方程建立了磁控激光焊接熔池热‑流‑电磁耦合数学模型，充分考虑了由温度梯度及固、液相热电系数差异导致的Seebeck热电效应，以及热电流与外加磁场作用所产生的热电磁效应，能够求解金属材料在磁场辅助激光焊接过程中熔池的热电流密度与热电磁力分布，深入揭示熔池传热、流动行为以及焊缝形貌变化机制。

技术领域

本发明提出的一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，属于焊接宏观数值模拟技术领域，适用于求解外加磁场条件下金属材料激光焊接过程热电流、热电磁力分布及熔池动力学行为。

背景技术

近年来，磁场辅助激光焊接技术成为焊接领域的一大研究热点，其基本原理为磁流体介质在磁场环境中的双扰动效应：一是磁流体与外加磁场相互作用产生诱导电流，其共生磁场(即诱导磁场)对外加磁场存在扰动；二是电流与受扰动的磁场相互作用产生电磁力，从而对磁流体初始运动状态产生扰动。在特定参数稳恒磁场作用下，电磁力对熔池液态金属的流动具有明显促进或抑制作用，从而起到改善焊缝成形、调控晶粒组织形态、提高接头力学性能等有益效果。通过建立磁场辅助激光焊接过程多物理场耦合数值模型，开展焊接熔池瞬态动力数值模拟，能够深入外加磁场对熔池液态金属传热、流动行为的影响机制，明确磁场强度、振荡频率、作用方向等参数的影响规律，从而为科学定制磁控工艺参数提供指导。

在金属材料的磁控激光深熔焊接过程中，除了熔池介质的磁流体扰动效应之外，焊接区域还存在由高温度梯度及固、液相热电系数差异导致的Seebeck热电效应。在常规的激光焊接工艺中，热电流与其共生磁场相互作用形成的热电磁力很小，其影响可以忽略不计。但是，在外加磁场条件下，施加于热电流载体的热电磁力可以达到10⁶N/m³，从而显著影响焊接过程的热、流分布，使得焊接熔池动力学行为及焊缝尺寸形貌发生明显变化。目前，针对磁控激光焊接熔池动力学数值建模研究大多未考虑热电磁效应，使得模拟结果与实验数据的吻合度较差，尤其不能解释稳恒磁场反向导致的焊缝形貌变化等实验现象。

发明内容

鉴于背景技术的局限性，本发明提出一种磁场辅助激光焊接熔池磁流体-热电磁效应模拟方法，将热电效应、热电磁效应与磁流体效应进行耦合建模与求解，从而获取磁控激光焊接过程热电流及热电磁力的空间分布，准确预测温度场、速度场及熔池形态。

本发明的具体流程如图1所示，包含如下步骤：

步骤1：将Seebeck热电效应理论映射在激光焊接熔池固-液相体系，构建磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理模型；

步骤2：对物理模型进行适当简化，建立磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合数学模型，采用电流连续性方程实现热电流密度的求解；

步骤3：构建三维激光焊接计算域几何模型，定义控制方程待求变量的初始条件与边界条件，采用六面体单元对计算域进行网格造型；

步骤4：基于商用CFD模拟平台，加载焊接母材的材料模型参数与工艺参数，采用FVM与SIMPLE算法分别对控制方程组进行离散与迭代求解；

步骤5：根据模拟结果与实际焊缝形貌对比，对数值模型的合理性与准确性进行评估，以适当修正、完善数值模型。

进一步地，步骤1所述的磁场辅助激光焊接过程磁流体-热电磁效应耦合物理建模对象为：焊接熔池传热、流动及固-液相变过程；焊接区域的磁流体效应与Seebeck效应产生的(热)电流分布；(热)电流的热效应以及(热)电流与外加磁场作用产生的电磁力效应。