CN106670666A

CN106670666A - 基于精准能量分配的激光‑电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法

Info

Publication number: CN106670666A
Application number: CN201611150823.8A
Authority: CN
Inventors: 占小红; 张才林
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2017-05-17

Abstract

本发明是一种基于精准能量分配的激光‑电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法。本发明根据激光‑电弧复合加工热源作用区域调节热源模型参数，使理论热源模型更加符合实际的物理现象，可以方便快捷精确地调整热源模型，能够准确地获得数值模拟所需要的熔池，为激光‑电弧复合焊焊接结构的应力和变形的预测提供有力的帮助。同时可推广到激光‑电弧复合焊流场和增材制造模拟的推广。

Description

基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法

技术领域

本发明涉及到激光-电弧复合加工数值模拟领域，这其中包含了焊接和增材制造。具体涉及一种基于精准能量分配的激光-电弧复合加工热源能量分配系数模型。

背景技术

复合材料以其疲劳性能好、比重小、强度高等诸多特点，成为制造大型飞机的基本材料之一，而被用来减轻大型飞机产品中机体结构的重量，降低运营成本和延长维护间隔等综合效益。因此，复合材料制备技术成为研制国产大型飞机的关键性技术之一。

飞机复合材料零件是使用设计制造的模具一次性复合并固化成形的，对于成型后的复合材料零件不需要再进行加工，因此，复合材料零件的成形质量直接受到设计制造的模具的优劣的影响。相比国外，国内通常还采用碳钢和铝合金等金属材料来制造复合材料成型模具，但是制造出来的模具满足不了先进复合材料热压生产中对模具材料提出的一系列要求，使成型后的复合材料零件存在诸多问题，例如热膨胀系数差异导致的尺寸和型面超差以及固化残余应力等。而Invar钢由于具有较小的热膨胀系数，并且与复合材料的热膨胀系数相近，这就使得复合材料成型过程中，模具在变温条件下，稳定性好，真空稳固性好，解决了传统复合材料成型模具材料存在的问题。因此，Invar钢是用来制造复合材料成型模具的首选材料。

但是，由于飞机复合材料零件尺寸较大，结构复杂，这就使得复合材料成型模具一次成型困难，因此，焊接就成为模具成型的关键方法之一。另外，模具在长期地使用过程中，要经受高温、高应力、高腐蚀的作用，这使得模具经历一定的使用周期之后，将会出现很严重的磨蚀，这将影响到模具的使用，导致生产的零件不符合要求。比较节约成本的方法就是对磨蚀的部分进行修复。增材制造表面修复技术成为模具修复的关键技术。

光纤激光-电弧复合加工是一种新型高效的加工方法，同时具有电弧和激光加工的优点，另外由于激光和电弧两种热源的相互作用，又弥补了各自的不足，这很好地满足了Invar合金模具的生产加工需求，可用于模具前期的焊接生产制造，也可用与模具后期修复，其运用前景巨大。目前，光纤激光-电弧复合加工Invar钢已经被证明是一种可行，并且高质量的加工技术。

在激光-电弧复合加工过程中，加工结构件上温度场的分布对其应力分布、变形、流场和焊缝晶粒大小都有直接影响。准确的温度场分布，将使结构件上的应力分布、变形、流场和焊缝晶粒大小的计算更为精确。因此，进行Invar钢激光-电弧复合加工温度场数值模拟研究将对加工工艺提供理论指导。但是，一直以来，对于激光-电弧复合加工热源模型的处理不甚理想。

激光-电弧复合加工是将激光热源和电弧热源同时复合到一起，对材料进行焊接或者增材制造表面修复。激光作用的有效半径很小，是一种高能束热源，通过加热材料使其融化蒸发，从而在材料表面形成匙孔，这样就会产生一定深宽比的熔池，最终形成“钉子”形的熔池形貌；电弧热源的能量密度相对较小，但其有效作用半径很大，熔深比较浅，这样就形成了椭球形的熔池形貌。当将两种热源复合后加载到材料上，材料对激光的发射率会降低而吸收率提高，同时，电弧会由于激光产生的小孔效应而被压缩，从而使电弧能量高度集中。因此，激光-电弧复合加工同时具有激光的深熔小孔效应和电弧的椭球形熔池形状，同时两种热源还相互影响着各自的能量分布。胥国祥根据复合热源焊焊缝横截面的形状特点，提出了四类组合体积热源作用模式，并在此基础上进行了改进，建立了适合复合焊的组合式热源模型。赵宇宏等人通过将高斯面热源和双椭球提热源进行组合以作为激光-TIG复合焊热源模型。王慧针对激光深熔焊焊缝的特点，建立了高斯面热源和双椭球体热源组合的热源模型。

激光-电弧复合加工热源是把激光热源和电弧热源作为一个整体的热源模式，两种热源在同时作用于材料的过程中，是有一个能量分配比例的。但是由上面的分析可以看出，这个热源分配比例的模型还不是太明确，这影响了数值模拟技术的精确性。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的不足，本发明提出了一种基于精准能量分配的激光-电弧复合加工热源能量分配系数模型。本发明根据激光-电弧复合加工热源作用区域调节热源模型参数，使理论热源模型更加符合实际的物理现象，可以方便快捷精确地调整热源模型，能够准确地获得数值模拟所需要的熔池，为激光-电弧复合焊焊接结构的应力和变形的预测提供有力的帮助。同时可推广到激光-电弧复合焊流场和增材制造模拟的推广。

为了达到上面的一系列目的，本发明提出了一下的技术方案：

一种基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，通过分析激光-电弧复合加工的热源在材料中作用区域的特点，将激光热源用圆柱体热源模型来表示，电弧热源用双椭球热源模型来表示；基于激光热源和电弧热源的相互作用机理，在激光-电弧复合加工的热源有效作用深度上，根据激光热源与电弧热源的各自热源有效作用深度不同，将激光-电弧复合加工的热源作用区域前端认定为激光热源作用区域，而激光-电弧复合加工的热源作用区域后端则认定为电弧热源作用区域，由此得到激光-电弧复合加工的热源复合模型，进而可得到激光-电弧复合加工中，激光热源与电弧热源的能量分配比例模型。

激光-电弧复合加工中，激光热源与电弧热源的能量分配比例模型为：

式中：f₁为电弧热源的能量分配系数；f₂为激光热源的能量分配系数；

a为电弧热源的双椭球热源模型的宽，c为电弧热源的双椭球热源模型的球前，h₁为电弧热源的有效作用深度；

h₂为激光热源的热源有效作用深度，r_e、r_i分别为激光热源的圆柱体热源模型的最大、最小半径。

采用上面论述的技术方案，本发明具有下面的突出优点：

1、本发明所述的一种所述的基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，本发明由于能够可以对能量分配系数方便快捷的调节，这使得激光-电弧复合加工的数值模拟二次开发更为方便简单；本发明通过推导所得到的热源能量分配系数模型与所加工材料的熔池形貌有很大的相关性，这摒弃了以往根据经验调整热源能量分配系数的误差，使得计算得到温度更为准确。

2、使用计算机编程语言，将上面提出的热源模型程序化，得到仿真分析的程序脚本，能够实现与仿真软件结构对接：

3、将上步的程序脚本接入到仿真分析软件，对数值分析模型进行求解计算，就能够精确地得到激光-电弧复合加工的温度场。

4、上面所述的复合热源模型是由双椭球热源和圆柱体热源复合而成，这两个热源模型的复合不是简单地叠加，而是相互衔接。

5、根据激光和电弧的相互作用机理，上述的能量分配系数模型是根据不同热源的能量系数在整个复合热源能量系数中所占比例而得。

6、将双椭球热源和圆柱体热源模型复合到一起的热源模型，其中的双椭球部分与圆柱体部分相互影响，调整其中一部分都将影响到另一部分。

附图说明

图1为激光-电弧复合加工的热源模型示意图

图2为试样结构尺寸示意图

图3为案例一的激光-电弧复合加工熔池形貌模拟结果与实验结果对比图

图4为案例二的激光-电弧复合加工熔池形貌模拟结果与实验结果对比图

图5为案例三的激光-电弧复合加工熔池形貌模拟结果与实验结果对比图

具体实施方式

本发明将通过下面提供的详细说明，但需要说明的是本发明是远超于下面的例子：

结合附图1-3所述的一种基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，根据激光-电弧复合加工的热源在材料中的作用区域，将激光热源用圆柱体热源模型来表示，电弧热源用双椭球热源模型来表示，基于激光和电弧的相互作用机理，得到两种热源的能量分配比例模型。其具体步骤如：

一、分析激光-电弧复合热源在材料中作用区域的特点：

激光作用的有效半径很小，是一种高能束热源，通过加热材料使其融化蒸发，从而在材料表面形成匙孔，这样就会产生一定深宽比的熔池；电弧热源的能量密度相对较小，但其有效作用半径很大。当将两种热源复合后加载到材料上，材料对激光的发射率会降低而吸收率提高，同时，电弧会由于激光产生的小孔效应而被压缩，从而使电弧能量高度集中。因此，激光-电弧复合加工同时具有激光的深熔小孔效应和电弧的椭球形熔池形状。

换句话说，激光-电弧复合热源在材料中作用区域的特点具体为：通过激光热源和电弧热源的相互作用，激光-电弧复合加工同时具有激光热源的深熔小孔效应和电弧热源的椭球形熔池形状；同时，在激光-电弧复合加工的热源有效作用深度上，激光热源作用于激光-电弧复合加工的热源作用区域前端，而电弧热源则作用于激光-电弧复合加工的热源作用区域后端。

二、建立电弧热源模型：

式中，a为双椭球的宽，c为双椭球的球前，h₁为热源有效作用深度，Q₁是热源的有效功率，η₁为功率有效系数，P₁为实际功率。其中，可将上面的公式写成：

公式中，A为电弧热源的能量系数，f₁(x,y,z)为双椭球的形函数。

三、建立激光热源模型：

式中，h₂为圆锥体热源的热源有效作用深度，r_e，r_i为圆锥热源的最大和最小半径，η₂为功率有效系数，P₂为实际功率，其中r_c是激光热源在其热源有效作用深度h₂上的热分配系数。h为热源的作用位置。其中可将上式写成：

公式中，A₁为电弧热源的能量系数，f₂(x,y,z)为圆柱体的形函数。

四、将两种热源模型复合一起建立复合热源模型：

在整个Z方向上，将激光-电弧复合加工的热源模型分成上下两部分，上面部分为电弧热源，下面部分为圆柱体热源，组合形成一种复合热源型模，其公式：

当0≤z≤h₁，即复合热源的上面部分的热源分布系数为：

其中f₁为电弧热源的能量分配系数。

当h₁≤z≤h₁+h₂，即复合热源的下面部分的热源分布系数为：

其中f₂为激光热源的能量分配系数。

五、建立能量分配比例模型：

f₁和f₂作为复合焊热源模型的能量分配系数：f₁+f₂＝1。能量分配系数跟热源模型的尺寸参数存在很大相关性。根据二、三步中的A、A₁的公式可得到能量分配数为：

进一步，可得：

六、进行二次开发，得到热源模型的程序文本：

使用计算机编程语言，将上面提出的热源模型程序化，得到仿真分析的程序脚本，然后与仿真软件结构对接：

七、温度场仿真分析：

将上步的程序脚本接入到仿真分析软件，对数值分析模型进行求解计算，就能够精确地得到激光-电弧复合加工的温度场。

上面所述的复合热源模型是由双椭球热源和圆柱体热源复合而成，这两个热源模型的复合不是简单地叠加，而是相互衔接。

根据激光和电弧的相互作用机理，上述的能量分配系数模型是根据不同热源的能量系数在整个复合热源能量系数中所占比例而得。

将双椭球热源和圆柱体热源模型复合到一起的热源模型，其中的双椭球部分与圆柱体部分相互影响，调整其中一部分都将影响到另一部分。

本发明的具体实施案例一如下：

对50mm×50mm×19.05mm的合金钢板进行切削加工，开30°的V型坡口，预留6mm的钝边，试样尺寸如图2所示。Invar合金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。

案例号	激光功率/W	焊接电流/I	焊接电压/V	焊接速度/(m·min^-1)
					1	5500	240	24.3	1

通过复合焊实验，在熔池凝固后，得到激光-电弧复合焊焊缝的宏观形貌及焊缝形貌参数。然后，根据焊缝的形貌参数得到激光-电弧复合焊热源模型的各尺寸参数，再根据本发明提出的热源模型公式，即

编写热源子程序，然后接入到有限元分析软件，计算得到温度场，再与实际的焊缝形貌进行对比，如图2所示。通过采用本发明的基于精准能量分配的激光-电弧复合加工热源能量分配系数模型模拟的焊缝形貌，与实际的焊缝形貌吻合良好，能够精确的模拟激光-电弧复合焊的温度场。

本发明的具体实施案例二如下：

案例号	激光功率/W	焊接电流/I	焊接电压/V	焊接速度/(m·min^-1)
					2	2400	250	24.6	0.35

本发明的具体实施案例三如下：

案例号	激光功率/W	焊接电流/I	焊接电压/V	焊接速度/(m·min^-1)
					3	2200	300	26.6	0.35

本发明存在以下的优点：

1.本发明由于能够可以对能量分配系数方便快捷的调节，这使得激光-电弧复合加工的数值模拟二次开发给为方便简单。

2.本发明通过推导所得到的热源能量分配系数模型与所加工材料的熔池形貌有很大的相关性，这摒弃了以往根据经验调整热源能量分配系数的误差，使得计算得到温度更为准确。

3.本发明可以用于焊接和增材制造的数值模拟。

Claims

1.一种基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，其特征是，通过分析激光-电弧复合加工的热源在材料中作用区域的特点，将激光热源用圆柱体热源模型来表示，电弧热源用双椭球热源模型来表示；基于激光热源和电弧热源的相互作用机理，在激光-电弧复合加工的热源有效作用深度上，根据激光热源与电弧热源的各自热源有效作用深度不同，将激光-电弧复合加工的热源作用区域前端认定为激光热源作用区域，而激光-电弧复合加工的热源作用区域后端则认定为电弧热源作用区域，由此得到激光-电弧复合加工的热源复合模型，进而可得到激光-电弧复合加工中，激光热源与电弧热源的能量分配比例模型。

2.根据权利要求1所述的基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，其特征是，激光-电弧复合加工中，激光热源与电弧热源的能量分配比例模型为：

\{\begin{matrix} f_{1} = \frac{2 {ach}_{1}}{2 {ach}_{1} + {πh}_{2} (r_{e}^{2} + r_{i}^{2} + r_{e} r_{i})} \\ f_{2} = \frac{{πh}_{2} (r_{e}^{2} + r_{i}^{2} + r_{e} r_{i})}{2 {ach}_{1} + {πh}_{2} (r_{e}^{2} + r_{i}^{2} + r_{e} r_{i})} \end{matrix}

3.根据权利要求1所述的基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，其特征是，激光-电弧复合加工中，电弧热源的双椭球热源模型为：

\{\begin{matrix} q_{1} (x, y, z) = {Af}_{1} (x, y, z) \\ A = \frac{6 \sqrt{3} Q_{1}}{π^{2 / 3} {ach}_{1}} \\ f_{1} (x, y, z) = \exp (- 3 ({(\frac{x}{a})}^{2} + {(\frac{y}{c})}^{2} + {(\frac{z}{h_{1}})}^{2}) \end{matrix}

公式中，A为电弧热源的能量系数，f₁(x,y,z)为双椭球的形函数；

a为双椭球的宽，c为双椭球的球前，h₁为电弧热源的有效作用深度，Q₁是电弧热源的有效功率，Q₁＝η₁P₁，η₁为电弧热源的功率有效系数，P₁为电弧热源的实际功率。

4.根据权利要求2所述的基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，其特征是，激光-电弧复合加工中，激光热源的圆柱体热源模型为：

\{\begin{matrix} q_{2} (x, y, z) = A_{1} f_{2} (x, y, z) \\ A_{1} = \frac{9 Q_{2}}{π (1 - e^{- 3})} \cdot \frac{1}{h_{2} (r_{e}^{2} + r_{e} r_{i} + r_{i}^{2})} \\ f_{2} (x, y, z) = \exp (- \frac{3 (x^{2} + y^{2})}{r_{c}^{2}}) \end{matrix}

公式中，A₁为激光热源的能量系数，f₂(x,y,z)为圆柱体的形函数；

h₂为激光热源的热源有效作用深度，r_e、r_i分别为激光热源的最大、最小半径，η₂为功率有效系数，P₂为实际功率，其中r_c是激光热源在其热源有效作用深度h₂上的热分配系数。

5.根据权利要求3所述的基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，其特征是，激光-电弧复合加工的热源复合模型q(x,y,z)为：

当0≤z≤h₁时，

q (x, y, z) = \frac{6 \sqrt{3} f_{1} Q_{1}}{π^{2 / 3} {ach}_{1}} \exp (- 3 ({(\frac{x}{a})}^{2} + {(\frac{y}{c})}^{2} + {(\frac{z}{h_{1}})}^{2})

其中f₁为电弧热源的能量分配系数；

当h₁≤z≤h₁+h₂时：

\{\begin{matrix} q (x, y, z) = \frac{9 f_{2} Q_{2}}{π (1 - e^{- 3})} \cdot \frac{1}{h_{2} (r_{e}^{2} + r_{e} r_{i} + r_{i}^{2})} \cdot \exp (- \frac{3 (x^{2} + y^{2})}{r_{c}^{2}}) \\ r_{c} = f (z) = r_{i} + (r_{e} + r_{i}) \frac{z - h_{1}}{h_{2}} \end{matrix}

其中f₂为激光热源的能量分配系数。

6.一种基于精准能量分配的激光-电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法，其特征是，包括以下步骤：

一、分析激光-电弧复合热源在材料中作用区域的特点

在激光-电弧复合加工中，采用激光-电弧复合热源；通过激光热源和电弧热源的相互作用，激光-电弧复合加工同时具有激光热源的深熔小孔效应和电弧热源的椭球形熔池形状；同时，在激光-电弧复合加工的热源有效作用深度上，激光热源作用于激光-电弧复合加工的热源作用区域前端，而电弧热源则作用于激光-电弧复合加工的热源作用区域后端；

二、建立电弧热源模

激光-电弧复合加工中，激光-电弧复合加工的热源作用区域具有由电弧热源导致的椭球形熔池形状，因此，采用双椭球热源模型q₁(x,y,z)表达电弧热源的作用区域，具体为：

\{\begin{matrix} q_{1} (x, y, z) = {Af}_{1} (x, y, z) \\ A = \frac{6 \sqrt{3} Q_{1}}{π^{2 / 3} {ach}_{1}} \\ f_{1} (x, y, z) = \exp (- 3 ({(\frac{x}{a})}^{2} + {(\frac{y}{c})}^{2} + {(\frac{z}{h_{1}})}^{2}) \end{matrix}

公式中，A为电弧热源的能量系数，f₁(x,y,z)为双椭球的形函数；a为双椭球的宽，c为双椭球的球前，h₁为电弧热源的有效作用深度，Q₁是电弧热源的有效功率，Q₁＝η₁P₁，η₁为电弧热源的功率有效系数，P₁为电弧热源的实际功率；

三、建立激光热源模型

激光-电弧复合加工中，激光-电弧复合加工的热源作用区域具有由激光热源导致的深熔小孔效应熔池形状，因此，采用圆柱体热源模型q₂(x,y,z)表达激光热源的作用区域，具体为：

\{\begin{matrix} q_{2} (x, y, z) = A_{1} f_{2} (x, y, z) \\ A_{1} = \frac{9 Q_{2}}{π (1 - e^{- 3})} \cdot \frac{1}{h_{2} (r_{e}^{2} + r_{e} r_{i} + r_{i}^{2})} \\ f_{2} (x, y, z) = \exp (- \frac{3 (x^{2} + y^{2})}{r_{c}^{2}}) \end{matrix}

公式中，A₁为激光热源的能量系数，f₂(x,y,z)为圆柱体的形函数；h₂为激光热源的热源有效作用深度，r_e、r_i分别为激光热源的最大、最小半径，η₂为功率有效系数，P₂为实际功率，其中其中r_c是激光热源在其热源有效作用深度h₂上的热分配系数；

四、将两种热源模型复合一起建立复合热源模型

由于在激光-电弧复合加工的热源有效作用深度上，激光热源作用于激光-电弧复合加工的热源作用区域前端，而电弧热源则作用于激光-电弧复合加工的热源作用区域后端；因此，在激光-电弧复合加工的热源有效作用深度上，将电弧热源的双椭球热源模型和激光热源的圆柱体热源模型进行复合，即激光-电弧热源的复合模型q(x,y,z)为：

当0≤z≤h₁时，

q (x, y, z) = \frac{6 \sqrt{3} f_{1} Q_{1}}{π^{2 / 3} {ach}_{1}} \exp (- 3 ({(\frac{x}{a})}^{2} + {(\frac{y}{c})}^{2} + {(\frac{z}{h})}^{2})

其中：f₁为电弧热源的能量分配系数；

当h₁≤z≤h₁+h₂时：

\{\begin{matrix} q (x, y, z) = \frac{9 f_{2} Q_{2}}{π (1 - e^{- 3})} \cdot \frac{1}{h_{2} (r_{e}^{2} + r_{e} r_{i} + r_{i}^{2})} \cdot \exp (- \frac{3 (x^{2} + y^{2})}{r_{c}^{2}}) \\ r_{c} = f (z) = r_{i} + (r_{e} + r_{i}) \frac{z - h_{1}}{h_{2}} \end{matrix}

其中f₂为激光热源的能量分配系数。

五、建立能量分配比例模型

根据步骤4得到的激光-电弧热源的复合模型，可以得到激光-电弧复合加工中能量分配比例模型为：

\{\begin{matrix} f_{1} = \frac{2 {ach}_{1}}{2 {ach}_{1} + {πh}_{2} (r_{e}^{2} + r_{i}^{2} + r_{e} r_{i})} \\ f_{2} = \frac{{πh}_{2} (r_{e}^{2} + r_{i}^{2} + r_{e} r_{i})}{2 {ach}_{1} + {πh}_{2} (r_{e}^{2} + r_{i}^{2} + r_{e} r_{i})} \end{matrix}

其中：f₁为电弧热源的能量分配系数；f₂为激光热源的能量分配系数。