(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210933148.5 (22)申请日 2022.08.04 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 张国滨　姜梦　陈曦　雷正龙　 陈彦宾　 (74)专利代理 机构 哈尔滨华夏松花江知识产权 代理有限公司 23213 专利代理师 张利明 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源 的建立方法 (57)摘要 一种厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接 热源的建立方法， 属于激光深熔焊接技术领域。 本发明针对现有环焊缝激光焊接热源模型局限 于高斯面热源或双椭球热源模型， 缺少对沿厚壁 圆管工件径向大熔深特征的体 现， 造成模拟计算 精度低的问题。 包括建立厚壁圆管工件的三维有 限元工件网格模 型； 建立对应平板工件的激光深 熔焊接热源模 型； 按照厚壁圆管工件的环形路径 对平板工件的激光深熔焊接热源模型进行坐标 变换， 获得 厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源模 型； 将厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源模型加 载到三维有限元工件网格模型上， 设置模型参 数， 计算三维有限元工件网格模型的温度场， 得 到最终热源模 型。 本发明可实现环形路径不同熔 深激光焊 接的数值模拟。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115329632 A 2022.11.11 CN 115329632 A 1.一种厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于包括， 步骤一： 采用三维建模造型软件建立厚壁圆管工件的三维有限元数值模型， 再采用网 格划分软件 对三维有限元 数值模型进行网格划分， 获得三维有限元工件网格模型； 步骤二： 根据厚壁圆管工件建立对应平板工件的激光深熔焊接热源模型， 所述激光深 熔焊接热源 模型包括 面热源和体热源； 步骤三： 按照厚壁圆管工件的环形路径对平板工件的激光深熔焊接热源模型进行坐标 变换， 获得厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源 模型； 步骤四： 将 厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源模型加载到所述三维有限元工件 网格模 型上， 设置模型参数， 利用有限元计算软件计算三维有限元工件网格模型的温度场， 得到最 终热源模型。 2.根据权利要求1所述的厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于， 步骤一中， 三维有限元数值模型为厚壁圆管工件的1： 1几何模型； 所述厚壁圆管工件的 厚度至少为5m m。 3.根据权利要求2所述的厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于， 平板工件的激光深熔焊接热源 模型中， 面热源和体热源公式分别为： 式中Qs1(x,y,t)是面热源在平板工件表面的热流密度分布， x为热源中心随时间变化的 运动横坐标， y为热源中心随时间变化的运动纵坐标， t为时间， α 是面热源热流集中系数， Ps 是面热源功率， ηs是面热源能量分配系数， Rs是面热源有效作用半径， (x0,y0)是面热源在平 板工件上的初始作用点； Qv(x,y,z,t)是体热源在平板工件内部的热流密度分布， z为基于xy平面坐标系的三维 空间中热源中心随时间变 化的运动竖坐 标， β 是体热源热流集中系数， Pv是体热源功率， ηv是 体热源能量分配系 数， ηs+ηv＝1， H是体热源有效作用深度， Rv是体热源有效作用半径， (x0, y0,z0)是体热源在平板 工件内部的初始作用点。 4.根据权利要求3所述的厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于， 步骤三中， 进行坐标变换包括将平板工件上 的坐标点变换为厚壁圆管工件的环形 路径坐标点， 则坐标变换公式为： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115329632 A 2式中x1为厚壁圆管工件的环形运动路径横坐标， y1为厚壁圆管工件的环形运动路径纵 坐标， z1为厚壁圆管工件的环形运动路径竖坐标； (x1,y1)是面热源沿厚壁圆管工件的环形 路径运动点， (x1,y1,z1)是体热源沿厚壁圆管工件的环形路径运动点， θ为以厚壁圆管工件 圆心为旋转中心， 平板 工件的激光深熔焊接热源 模型随时间旋转经 过的弧度。 5.根据权利要求4所述的厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于， 步骤三中， 获得的厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源 模型包括 面热源和体热源： 式中Qs2(x,y,t)是面热源在厚壁圆管工件表面的热流密度分布， Qv( δ,h,t)是体热源在 厚壁圆管工件内部的热流密度分布， δ是经坐标变换后的热源位置因子， h是体热源沿厚壁 圆管径向投影深度； 为中间变量： 6.根据权利要求5所述的厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于， 对公式(1)～(8)进行离线编程， 实现激光热源的程序化； 离线编程采用Fortran语 言编写。 7.根据权利要求6所述的厚壁圆管工件环形路径激光深熔焊接热源的建立方法， 其特 征在于， 步骤四中： 设置模型参数包 括： 设置厚壁圆管工件与环境对流换热系数为40W/(m2·℃)、 辐射率为 0.85、 厚壁圆管工件初始温度为20摄氏度； 则厚壁圆管工件 对流辐射换 热公式为： 式中k为厚壁圆管工件材料的导热系数， 为厚壁圆管工件外表面法向量， P为激光总功 率， h0为对流换热系数， T为厚壁圆管工件表面温度， T0为厚壁圆管工件环境温度， ε为厚壁圆 管工件材 料的辐射 率； σ 为斯忒藩‑玻尔兹曼常数， 恒等于 5.67×10‑8W/(m2·K4)； 温度差 设置厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源模型中， 面热源施加于厚壁圆管工件外表面， 体热源施加于厚壁圆管工件整体； 然后将厚壁圆管工件的激光深熔焊接热源模型加载到所述三维有限元工件网格模型 上进行计算， 获得三维有限元工件网格模型的温度场， 得到最终热源 模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115329632 A 3