一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法与流程

本发明主要属于焊接技术领域，具体的说，本发明涉及复合焊接热源模型的建立方法技术领域。

背景技术：

激光-电弧复合焊接具有激光焊的大熔深和普通电弧焊对装配精度要求低的特点，相比单激光焊接和单电弧焊接都有较大的优势，适合各种材料的焊接，并且在机械制造，汽车船舶和交通轨道等行业都有广泛的应用。目前，研究同异种材料焊接往往是采用实物试验的方法，在实验过程中，激光-电弧复合焊接的工艺参数较多，仅仅依靠实物试验研究焊接工艺的成本较大，同时耗费巨大的时间成本，并且实物试验得到的结果往往是有限个特征点的值，对工件整体焊后情况的分析不够直观，也不够全面，并且一旦改变焊接工艺就需要重新试验。

目前，采用模拟技术，配合一定的工业试验，建立数值模型进行分析，可以减少成本、节省大量时间，同时，例如焊接过程中和结束后工件表面和内部的温度分布，工件变形和应力集中区域等是很难通过实物试验测得整体情况，而通过焊接数值模拟能够非常直观的观察到过程和结果，因此利用数值模拟技术来研究激光—电弧复合焊接工艺对工程实践有重要的现实意义。

焊接热源模型是实现焊接模拟的必要因素之一，建立准确的热源模型能够提高焊接温度场和应力场等模拟结果的精度，但是在实际焊接模拟过程中有时候单纯的使用某一种热源并不能达到满意的效果，因此，需要进一步研究焊接模拟使用的热源模型。目前国内外文献4中，针对较为复杂焊接方法的模拟，其热源模型主要采用如下两种，其一是通过二次开发对应焊接方法的热源模型，其二是通过组合不同热源模型达到等效模拟焊接方法及焊接过程。通过二次开发得到的热源模型精度虽然较高，但是由于其公式复杂，要求研究人员和工程人员具有较高的编程能力，并且二次开发往往是根据一个具体问题进行假设研究，因此在工程上推广难度非常大。而利用本发明所提供的一种激光—电弧复合焊的模拟，提高了模拟效率也能过降低工程应用的难度。

技术实现要素：

针对目前激光—电弧复合焊接模拟中热源模型二次开发难度大，不易于推广应用而单一热源模拟结果与实际存在较大偏差的技术现状，本发明提供一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法，以解决上述现有缺陷。

本发明提供一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法，为实现本发明的目的，具体采取的步骤如下：

(1)建立三维有限元网格模型：

首先在三维建模软件中建立工件的几何模型，然后导入网格划分软件中划分网格，网格类型为六面体网格，其中网格密度为靠近焊缝中心处网格密集，远离焊缝处网格稀疏。

(2)建立热源模型：

包括建立激光体积热源模型和goldak热源模型。

首先建立激光体积热源模型：

式1-1中，re和ri分别为热源上下表面半径；ze和zi分别为热源上下表面的z坐标；h为热源深度。

其次建立goldak热源模型：

式1-2中qf和qr分别为热源前后部分热流密度分布函数；af,ar,bh和ch分别为goldak热源的分布参数。

最后将两热源进行组合，组合后分别调整热源模型的功率和分布参数。

多热源组合后功率应该满足：

φ＝η1φ1+η2φ2

式1-3

式1-3中φ为输入的总功率；φ1为激光体积热源功率；φ2为goldak热源功率；η1为激光体积热源功率效率系数；η2为goldak热源功率效率系数；

分布参数调整方式：

激光体积热源的分布参数应适于激光—电弧复合焊的深熔性，并且模拟得到的熔深能够达到焊后熔深深度，goldak热源分布参数应适于激光—电弧复合焊中的熔宽，并且模拟得到的熔宽能够达到焊后熔宽宽度，当熔深和熔宽分别达到要求后，再细微调节分布参数，使得模拟得到的焊缝截面形貌与实际焊缝截面形貌更加接近，总体要求热源模型的截面形貌应能包含整个熔池，大小控制在熔池合理的范围之内。

(3)计算求解控制方程：将步骤(2)所建立的热源模型加载到步骤(1)建立的模型上，同时赋予模型材料属性，根据实际设置边界条件以及控制热源位置和移动，提交运算并导出计算结果。

通过实施本发明的技术方案，可以达到以下有益效果:

本发明提供的一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法，针对激光—电弧复合焊接过程，建立了有限元网格模型，依据真实工件参数以及实际情况设定合理的边界条件，利用有限元模拟软件进行计算，模拟结果与试验结果吻合良好，模拟得到的焊缝截面形貌与实际激光—电弧复合焊缝截面形貌相似度达到了91％以上，与现有技术相比，采用本发明模拟激光—电弧复合焊能够帮助焊接行业相关人员减少大量无用功，明显缩短试验周期，显著减少成本，降低工程应用难度。

附图说明

图1为激光体积热源模型图，其中，ru为热源上半径，r1为热源下半径，d为热源深度。

图2为goldak热源模型图，其中，af、ar、b和d分别为goldak热源的前轴长、后轴长、宽度和深度。

图3为激光—电弧复合焊接工件网格划分示意图，其中，a部分为焊接工件的网格划分，b部分为工作台网格划分。

图4为激光—电弧复合焊接模拟焊缝截面形貌与实际焊接焊缝截面形貌对比图，其中，a为真实值，b为模拟值。

具体实施方式

下面结合附图1-4，举实施例说明本发明，但是，本发明并不限于下述的实施例。

本发明中选用的所有软件、原辅材料和仪器都为本领域熟知选用的，但不限制本发明的实施，其他领域熟知的一些原辅材料和仪器都可适用于本发明以下实施方法的实施。

本发明中验证试验涉及的软件：三维建模软件，商用焊接有限元模拟软件为simufact.welding。

本发明中验证试验涉及的材料：q345d钢板、304不锈钢焊丝，均可从市场购买获得。

本发明中验证试验涉及的设备：固体激光器为德国产的hl4006d型的nd：yag固体激光器。

实施例一：一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法

为实现本发明的目的，本发明采用了nd：yag激光－mig电弧复合焊接方法进行试验，激光为连续激光，根据试验要求采用高功率光纤激光器和数字化脉冲mig焊枪配合达到复合焊接目的；采用kuka机器人完成热源移动，数控工作台来控制工件的移动；根据试验要求设计了焊接夹具固定工件以完成焊接，从而提供了一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法，具体采取的步骤如下：

(1)建立三维有限元网格模型：

首先在三维建模软件中建立工件的几何模型，然后导入网格划分软件中划分网格，网格类型为六面体网格，其中网格密度为靠近焊缝中心处网格密集，远离焊缝处网格稀疏。

(2)建立热源模型：

包括建立激光体积热源模型和goldak热源模型。

首先建立激光体积热源模型：

式1-1中，re和ri分别为热源上下表面半径；ze和zi分别为热源上下表面的z坐标；h为热源深度。

其次建立goldak热源模型：

式1-2中qf和qr分别为热源前后部分热流密度分布函数；af,ar,bh和ch分别为goldak热源的分布参数。

最后将两热源进行组合，组合后分别调整热源模型的功率和分布参数。

多热源组合后功率应该满足：

φ＝η1φ1+η2φ2

式1-3

式1-3中φ为输入的总功率；φ1为激光体积热源功率；φ2为goldak热源功率；η1为激光体积热源功率效率系数；η2为goldak热源功率效率系数；

分布参数调整方式：

激光体积热源的分布参数应适于激光—电弧复合焊的深熔性，并且模拟得到的熔深能够达到焊后熔深深度，goldak热源分布参数应适于激光—电弧复合焊中的熔宽，并且模拟得到的熔宽能够达到焊后熔宽宽度，当熔深和熔宽分别达到要求后，再细微调节分布参数，使得模拟得到的焊缝截面形貌与实际焊缝截面形貌更加接近，总体要求热源模型的截面形貌应能包含整个熔池，大小控制在熔池合理的范围之内。

(3)计算求解控制方程：将步骤(2)所建立的热源模型加载到步骤(1)建立的模型上，同时赋予模型材料属性，根据实际设置边界条件以及控制热源位置和移动，提交运算并导出计算结果。

实施例二：一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法的效果验证实验

本实施例中，使用激光-电弧复合焊在q345d钢板表面进行堆焊，焊丝为304不锈钢焊丝，具体采取的步骤如下：

(1)建立三维有限元网格模型：

通过三维建模软件建立工件几何模型，然后导入网格划分软件中进行网格划分，网格划分采用六面体单元，同时采用靠近焊缝处密集、远离焊缝处稀疏的划分方式，体积节点总数为39325，单元总数为34560。

(2)将网格模型导入simufact.welding软件，建立热源模型：

采用本发明所提供的一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法建立热源模型，先在模型中添加激光体积热源和goldak热源模型，并将两者组合在一起，最后分别调整热源模型的功率和分布参数以模拟激光—电弧复合焊热源。

(3)计算求解控制方程：将步骤(2)所建立的热源模型加载到步骤(1)建立的模型上，同时赋予模型材料属性，根据实际设置边界条件以及控制热源位置和移动，其中模拟与实际焊接速度均为9mm/s，提交运算并导出计算结果。

(4)验证本发明结果的准确性，将模拟计算结果与实际焊后得到的焊缝截面形貌进行比较，通过图4可以看出，采用本发明模拟得到了与实际激光—电弧复合焊缝相似度很高的焊缝截面形貌，相似度达到了91％。

综上所述，根据本试验激光—电弧复合焊，工件的焊接结构以及焊接材料，应用本发明提供的一种激光-电弧复合焊接热源模型的建立方法对其进行模拟，过程中建立了合理的模型，同时根据实际情况设定了适应的边界条件等，最后对模型进行计算，计算结果与试验吻合良好，因此本发明可以很好的实现激光—电弧复合焊接热源模型的建立，能够缩短焊接相关从业人员试验周期，减少成本。