一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法与流程

本发明涉及一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，属于激光焊接技术领域。

背景技术：

随着计算仿真技术的迅猛发展，焊接仿真技术也逐渐引起人们注意，越来越多的工程师通过仿真技术来研究焊接的过程与现象，进而优化焊接工艺，以期有效控制焊接变形和焊接缺陷。目前，关于焊接的仿真技术还不够成熟，存在诸如热源校核周期长、模拟得到熔池形状与实际熔池形状吻合度不高等技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，以解决现有技术中进行焊接仿真时热源校核周期长、模拟熔池与实际熔池形状吻合度不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，包括步骤：

获取实际熔池参数；

基于预构建的任两个组成热源之间的能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，所述组成热源为组成激光电弧复合热源的热源之一，所述能量分配系数模型的变量包括热源参数；

基于激光电弧复合热源模型获取模拟熔池参数，将模拟熔池参数与所述实际熔池参数进行比对，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度，判断所述吻合度是否达到预设阈值；

响应于所述吻合度未达到预设阈值，则调整热源参数，然后重复模拟熔池及其相对于实际熔池的吻合度的获取过程，并重新判断所述吻合度是否达到预设阈值；

响应于所述吻合度达到预设阈值，则将相应热源参数下的激光电弧复合热源模型作为激光电弧复合热源的最终模型。

进一步地，所述组成热源包括一个用来表示电弧的双椭球热源和两个用来表示激光的圆柱体热源，双椭球热源作用于激光电弧复合热源作用区域的上半部分，圆柱体热源作用于激光电弧复合热源作用区域的下半部分。

进一步地，所述热源参数包括双椭球热源的形状参数、圆柱体热源的半径、双椭球热源的有效作用深度、圆柱体热源的有效作用深度中的至少任一项。

进一步地，双椭球热源模型，其表达式如下：

式中，q1(x,y,z)为双椭球热源模型的热流密度函数，x为双椭球热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为双椭球热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为双椭球热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，a1为双椭球热源的能量系数，f1(x,y,z)为双椭球热源的形函数，a、b、c为双椭球热源的形状参数，h1为双椭球热源的有效作用深度，q1为双椭球热源的有效功率，q1＝η1p1，η1为双椭球热源的功率有效系数，p1为双椭球热源的实际功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角。

进一步地，圆柱体热源模型，其表达式如下：

式中，qi+1(x,y,z)为第i个圆柱体热源模型的热流密度函数，x为圆柱体热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为圆柱体热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为圆柱体热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，ai+1为第i个圆柱体热源的能量系数；fi+1(x,y,z)为第i个圆柱体热源的形函数；hi+1为第i个圆柱体热源的有效作用深度，ri为第i个圆柱体热源的半径，qi+1为第i个圆柱体热源的有效功率，qi+1＝ηi+1pi+1，ηi+1为第i个圆柱体热源的功率有效系数，pi+1为第i个圆柱体热源的实际功率，r(z)为两个圆柱体热源的热流分布函数。

进一步地，激光电弧复合热源模型，其表达式如下：

当0≤z≤h1时，

当h1≤z≤h1+h2时，

当h1+h2≤z≤h1+h2+h3时，

式中，q(x,y,z)为激光电弧复合热源模型的热流密度函数，x为激光电弧复合热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为激光电弧复合热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为激光电弧复合热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，h1为双椭球热源的有效作用深度，h2为第1个圆柱体热源的能量系数，h3为第2个圆柱体热源的能量系数，q1为双椭球热源的有效功率，q2为第1个圆柱体热源的有效功率，q3为第2个圆柱体热源的有效功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角，a、b、c为双椭球热源的形状参数，r1为第1个圆柱体热源的半径，r2为第2个圆柱体热源的半径，r(z)为两个圆柱体热源的热流分布函数，f1为根据电弧与激光相互作用关系构建的双椭球热源的能量分配系数，f2为根据激光与电弧相互作用关系构建的第一个圆柱体热源的能量分配系数，f3为根据激光与激光相互作用关系构建的第二个圆柱体热源的能量分配系数。

进一步地，能量分配系数模型，其表达式如下：

进一步地，所述激光电弧复合热源包括激光-mig复合热源。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：根据电弧与激光的相互作用机理，基于能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，利用激光电弧复合热源模型模拟熔池参数，将模拟熔池参数与实际熔池参数进行比对以获取吻合度，并可通过调整能量分配系数模型中的热源参数来调整该吻合度，提取吻合度达到预设阈值是的激光电弧复合热源模型作为最终模型。由于激光电弧复合热源模型基于能量分配系数模型加以构建，在进行热源校核时，将包括热源模型尺寸等在内的热源参数作为初始值输入能量分配系数模型，再将能量分配系数模型导入激光电弧复合热源模型中，再对比经由数值计算得到的模拟熔池与实际工件熔池的形状，只需微调能量输入值等相关热源参数即可实现基本吻合，而无需繁琐地进行多次调整，极大地缩短了复合热源的校核周期，进而缩短了整个焊接仿真模拟的耗时。

附图说明

图1是本发明方法实施例的流程示意图；

图2是本发明方法实施例中激光电弧复合热源模型的组成示意图；

图3是本发明方法实施例中复合焊焊接接头网格模型示意图；

图4是本发明方法实施案例一中实验焊缝与本发明方法所得模拟焊缝的截面形貌对比示意图；

图5是本发明方法实施案例二中实验焊缝与本发明方法所得模拟焊缝的截面形貌对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施方式提供了一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，如图1所示，本发明方法实施例的流程示意图，基本技术思路如下：首先，获取实际熔池参数；然后，根据激光电弧复合热源在金属中的作用区域，将电弧用双椭球热源模型来表示，激光用两个圆柱体热源模型来表示，基于电弧与激光的相互作用机理，得到双椭球热源与两个圆柱体热源的能量分配系数模型，该能量分配系数模型的变量中设有若干热源参数；然后，基于能量分配系数模型构建激光电弧复合热源的初始模型，基于激光电弧复合热源的初始模型可以模拟获取熔池，从而获取模拟熔池参数；接着，将获取的模拟熔池参数与实际熔池参数进行比较，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度。通过调整能量分配系数模型中的热源参数，便可以对应获取不同形状的模拟熔池，当模拟熔池相对于实际熔池的吻合度达到预设阈值时，提取对应热源参数下的激光电弧复合热源模型，作为激光电弧复合热源的确定模型。基于上述技术原理可知，在对激光电弧复合热源的初始模型进行调整时，只需要调整能量分配系数模型中的热源参数，无需进行繁琐的调整程序，极大缩短了复合热源的校核周期；并且基于本发明方法推导所得到的能量分配系数模型与熔池形貌具有很大相关性，摒弃了以往根据经验来分配热源能量产生的误差，使得模拟得到熔池形状与实际熔池形状更为吻合。具体包括如下步骤：

(1)分析激光电弧复合热源在金属中作用区域的特点

在激光电弧复合热源中，采用双椭球热源与两个圆柱体热源进行组合，在激光电弧复合热源的有效作用深度上，双椭球热源作用于激光电弧复合热源作用区域的上半部分，两个圆柱体热源作用于激光电弧复合热源作用区域的下半部分。本实施例中，可将双椭球热源、圆柱体热源设定为组成热源。

(2)建立双椭球热源模型

该式可变形为：

式中，q1(x,y,z)为双椭球热源模型的热流密度函数，x为双椭球热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为双椭球热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为双椭球热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，a1为双椭球热源的能量系数，f1(x,y,z)为双椭球热源的形函数，a、b、c为双椭球热源的形状参数，h1为双椭球热源的有效作用深度，q1为双椭球热源的有效功率，q1＝η1p1，η1为双椭球热源的功率有效系数，p1为双椭球热源的实际功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角。

(3)建立两个圆柱体热源模型

该式可变形为：

式中，qi+1(x,y,z)为第i个圆柱体热源模型的热流密度函数，x为圆柱体热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为圆柱体热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为圆柱体热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，ai+1为第i个圆柱体热源的能量系数；fi+1(x,y,z)为第i个圆柱体热源的形函数；hi+1为第i个圆柱体热源的有效作用深度，ri为第i个圆柱体热源的半径，qi+1为第i个圆柱体热源的有效功率，qi+1＝ηi+1pi+1，ηi+1为第i个圆柱体热源的功率有效系数，pi+1为第i个圆柱体热源的实际功率，r(z)为两个圆柱体热源的热流分布函数。

(4)将两种热源模型进行复合，建立由三个热源组成的复合热源模型

将激光电弧复合热源模型分成上下两部分，上面部分为双椭球热源，下面部分为两个圆柱体热源，组合形成激光电弧复合热源模型q(x,y,z)，表达式如下：

当0≤z≤h1时，

当h1≤z≤h1+h2时，

当h1+h2≤z≤h1+h2+h3时，

式中，q(x,y,z)为激光电弧复合热源模型的热流密度函数，x为激光电弧复合热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为激光电弧复合热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为激光电弧复合热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，h1为双椭球热源的有效作用深度，h2为第1个圆柱体热源的能量系数，h3为第2个圆柱体热源的能量系数，q1为双椭球热源的有效功率，q2为第1个圆柱体热源的有效功率，q3为第2个圆柱体热源的有效功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角，a、b、c为双椭球热源的形状参数，r1为第1个圆柱体热源的半径，r2为第2个圆柱体热源的半径，r(z)为两个圆柱体热源的热流分布函数，f1为根据电弧与激光相互作用关系构建的双椭球热源的能量分配系数，f2为根据激光与电弧相互作用关系构建的第一个圆柱体热源的能量分配系数，f3为根据激光与激光相互作用关系构建的第二个圆柱体热源的能量分配系数。

(5)建立能量分配比例模型

f1、f2和f3作为复合热源模型的能量分配系数的关系如下：f1+f2+f3＝1。并且能量分配系数跟热源模型的尺寸存在很大相关性。因此根据上述a1、a和a3的公式可推导出能量分配系数为：

进一步，可得：

前述热源参数包括双椭球热源的形状参数、圆柱体热源的半径、双椭球热源的有效作用深度、圆柱体热源的有效作用深度，即上式中a、b、c、r1、r2、h1、h2、h3等参数。

(6)温度场模拟

建立有限元模型，取两组中厚板复合多道的焊接电压、焊接电流、激光功率、焊接速度和焊接倾角作为已知参数，通过熔合线形状调节激光电弧复合热源的作用区域，得到对应的热源模型尺寸，将热源模型尺寸作为初始值，输入能量分配系数模型再导入激光电弧复合热源模型中，得到相应模拟的熔池形状。以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为确定构建的复合热源能量分配系数模型是否准确的标准，得到最优的数值模拟热源模型。本发明方法实施例中，所述激光电弧复合热源为激光-mig复合热源。

下面，以两个实例来详细说明此过程。

实施案例一：

对150mm×80mm×18.4mm的合金钢板进行切削加工，开30°的v型坡口,进行三道的复合热源多道焊。x100高强度管线钢在切削和表面处理之后，在其表面会存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂纸对试样进行打磨，然后用丙酮对试样进行清洗，最后用酒精对其进行擦拭。采用如表1所示的工艺参数进行焊接。

表1：实例一采用的焊接工艺参数

通过复合焊实验，得到激光电弧复合焊焊缝的宏观形貌。具体如图3所示，是本发明方法实施例中复合焊焊接接头网格模型示意图。然后，根据焊缝的形貌得到激光电弧复合焊热源模型的各项尺寸，再根据本发明提出的复合热源模型公式，即基于能量分配系数的激光电弧复合热源模型得到温度场，进而获得模拟的焊接熔池形状。

具体如图4所示，是本发明方法实施案例一中实验焊缝与本发明方法所得模拟焊缝的截面形貌对比示意图，左侧为实验所得实际熔池的形状，右侧为基于本发明方法所得激光电弧复合热源模型获取的模拟熔池的形状，图中，高于1460°部分为焊缝，a1、a2、a3为熔深，b1、b2、b3为熔宽。对比左右侧形状可得，采用本发明方法所获取的激光电弧复合热源模型所得到温度场熔池形状与实验结果的熔池形状相似度较高。

实施案例二：

对150mm×80mm×18.4mm的合金钢板进行切削加工，开30°的v型坡口，进行三道的复合热源多道焊，具体如图2所示，是本发明方法实施例中激光电弧复合热源模型的组成示意图。x100高强度管线钢在切削和表面处理之后，在其表面会存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂纸对试样进行打磨，然后用丙酮对试样进行清洗，最后用酒精对其进行擦拭。采用如表2所示的工艺参数进行焊接。

表2：实例二采用的焊接工艺参数

通过复合焊实验，得到激光电弧复合焊焊缝的宏观形貌。然后，根据焊缝的形貌得到激光电弧复合焊热源模型的各项尺寸，再根据本发明提出的复合热源模型公式，即基于能量分配系数的激光电弧复合热源模型得到温度场，进而获得模拟的焊接熔池形状。

具体如图5所示，是本发明方法实施案例二中实验焊缝与本发明方法所得模拟焊缝的截面形貌对比示意图，左侧为实验所得实际熔池的形状，右边为根据发明方法所得激光电弧复合热源模型获取的模拟熔池的形状。图中，高于1460°部分为焊缝，c1、c2、c3为熔深，d1、d2、d3为熔宽。对比左右侧形状可知，采用本发明方法所获取的激光电弧复合热源模型所得到温度场熔池形状与实验结果的熔池形状相似度较高。

综上所述，本发明方法存在以下的优点：由于激光电弧复合热源模型基于能量分配系数模型加以构建，在进行热源校核时，将包括热源模型尺寸等在内的热源参数作为初始值输入能量分配系数模型，再将能量分配系数模型导入激光电弧复合热源模型中，再对比经由数值计算得到的模拟熔池与实际工件熔池的形状，只需微调能量输入值等相关热源参数即可实现基本吻合，而无需繁琐地进行多次调整，极大地缩短了复合热源的校核周期，进而缩短了整个焊接仿真模拟的耗时。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。