CN109933007A - 一种激光-mig复合焊接热源模型的建立方法 - Google Patents

一种激光-mig复合焊接热源模型的建立方法 Download PDF

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陆善平
董文超
李殿中
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Abstract

本发明公开了一种激光‑MIG复合焊接热源模型的建立方法，属于激光焊接技术领域。该方法首先建立对接接头激光‑MIG复合焊接三维有限元网格模型，然后基于FORTRAN语言，开发复合热源模型，采用有限元模拟软件计算求解控制方程，进行温度场计算，即完成了激光‑MIG复合焊接热源模型的建立。利用本模型可获取不同焊接工艺参数下的温度场，对准确认识金属材料激光‑MIG复合焊接温度场的分布规律、控制焊接质量和使用性能提供技术支持。

Description

一种激光-MIG复合焊接热源模型的建立方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种激光-MIG复合焊接热源模型的建立方法。
背景技术
激光焊接作为一种精密、高效、快速的高能束焊接方法，在汽车、船舶、航空航天等领域得到了越来越广泛的应用。但常规的激光焊接存在着激光能量利用率低、装配精度要求高等问题。为了解决这些问题，激光-熔化极惰性气体保护焊(Metal Inert GasWelding，以下简称MIG)复合焊接技术受到了广泛关注。激光-MIG复合焊将激光焊与MIG焊的优点进行了有机结合，不仅提高了激光能量利用率和焊接过程的稳定性，改善焊缝质量，而且降低了对焊接件装配精度的要求，同时可弥补MIG焊存在的焊速慢、效率低、变形大等不足。目前，激光-MIG焊接技术已应用于德国大众、Aker Warnow Werf船厂等汽车和船舶的制造中。由于工业结构件往往形状复杂、焊接道次多，制造工艺不成熟，如果采用物理实验或者依靠经验的方法需要做多次试验，周期长，成本高，严重影响结构件的生产制造。采用数值模拟的方法来代替前期不必要的物理实验，不仅可以节约大量的成本和人力物力资源，而且可以缩短产品研制周期，提高产品竞争力。
建立合理的热源模型是焊接过程数值模拟结果准确、可靠的前提。因此，激光-MIG复合焊接过程模拟首要解决的问题是建立合理的激光-MIG复合焊接热源模型。在激光和MIG焊热源的双重作用下，焊缝截面形貌呈“倒喇叭”型，这种形貌难以采用有限元软件中自带的高斯面热源模型和双椭球体热源模型来描述。所以，要实现激光-MIG复合焊接过程模拟，必须建立合适的焊接热源模型，以便优化焊接工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光-MIG复合焊接热源模型的建立方法，以解决现有有限元软件自带的热源模型无法描述“倒喇叭”型焊缝截面形貌的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种激光-MIG复合焊接热源模型的建立方法，该方法包括如下步骤：
第一步，建立对接接头激光-MIG复合焊接三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立几何模型，利用网格划分软件或者有限元模拟软件对工件进行网格划分；网格划分时在焊缝及其周围区域进行网格细化，以减少误差。
第二步，建立三维激光-MIG复合焊热源模型，基于FORTRAN语言，开发组合热源模型；其中：
工件的上半部分采用双椭球体热源模型，控制方程如公式(1)～(3)：
qV1＝qf+qr (3)；
公式(1)～(3)中：QV1为双椭球体热源占有的能量，af、ar、b、c为双椭球体热源形状参数，H1为双椭球体热源作用高度；qf和qr分别为前、后半椭球体内的热流密度分布；qV1为双椭球体热源热流密度分布；
工件的下半部分采用圆柱体热源模型，控制方程如公式(4)：
公式(4)中：QV2为圆柱体热源占有的能量，r0为高斯面热源有效加热半径，H2为圆柱体热源作用高度，其值为H2＝d-H1，d为工件厚度；qV2为圆柱体热源热流密度分布；
对于整个激光-MIG复合焊热源来说，总功率Qtotal等于各组合部分(工件的上半部分和下半部分)热源功率之和，如公式(5)；
公式(5)中：QV1＝χ1Qtotal，QV2＝χ2Qtotal，χ1+χ2＝1，χ1和χ2分别为上、下部分热源的功率分配系数；
第三步，基于有限元模拟软件求解控制方程，进行温度场计算：
将第二步所建立的激光-MIG复合焊热源模型加载到有限元网格模型上，设置热边界条件，计算求解，完成热源模型建立，获得焊接温度场和焊缝截面形貌。
激光-MIG复合焊接形成的温度场控制方程如公式(6)；
公式(6)中：T为温度，t为时间，ρ为材料的密度，cp为材料的比热容，k为材料的导热系数，x、y、z为坐标系中的三向坐标，qV1和qV2为激光-MIG复合热源输入的能量。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种激光-MIG复合焊接热源模型的建立方法，针对对接接头的激光-MIG复合焊接过程，建立了有限元网格模型，采用FORTRAN语言编写复合热源模型程序代码，设置合理的初始条件和边界条件，利用有限元模拟软件进行计算求解。得到的对接接头截面形貌与实验得到的结果吻合良好，表明本发明热源模型适合激光-MIG复合焊接。
附图说明
图1为本发明建立激光-MIG复合焊接体热源模型示意图。
图2为实际焊缝与本发明热源模型模拟的焊缝截面形貌对比。
具体实施方式
以下结合附图详述本发明。
本发明为激光-MIG复合焊接热源模型的建立方法，如图1所示，具体按以下步骤实现：
第一步，建立对接接头激光-MIG复合焊接三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立几何模型，利用网格划分软件或者有限元模拟软件对工件进行网格划分，优先划分焊缝及其周围区域；
第二步，建立三维激光-MIG复合焊热源模型，基于FORTRAN语言，开发组合热源模型；其中：
工件的上半部分采用双椭球体热源模型，控制方程如公式(1)～(3)；
qV1＝qf+qr (3)；
其中，QV1为双椭球体热源占有的能量，af、ar、b、c为双椭球体热源形状参数，H1为双椭球体热源作用高度，qf和qr分别为前、后半椭球体内的热流密度分布，qV1为双椭球体热源热流密度分布。
工件的下半部分采用圆柱体热源模型，控制方程如公式(4)：
其中，QV2为圆柱体热源占有的能量，r0为高斯面热源有效加热半径，H2为圆柱体热源作用高度，其值为H2＝d-H1，d为工件厚度；qV2为圆柱体热源热流密度分布。
对于整个激光-MIG复合焊热源来说，总功率Qtotal等于各组合部分热源功率之和，如公式(5)：
公式(5)中，QV1＝χ1Qtotal，QV2＝χ2Qtotal，χ1+χ2＝1，χ1和χ2分别为上、下部分热源的功率分配系数。
第三步，基于有限元模拟软件求解控制方程，进行温度场计算：
将所建立的激光-MIG复合焊热源模型加载到有限元网格模型上，设置热边界条件，计算求解，完成热源模型建立，获得焊接温度场和焊缝截面形貌。
激光-MIG复合焊接形成的温度场控制方程如公式(6)：
其中，T为温度，t为时间，ρ为材料的密度，cp为材料的比热容，k为材料的导热系数，x、y、z为坐标系中的三向坐标，qV1和qV2为激光-MIG复合热源输入的能量。
实施例1：
本实施例以5083-H111铝合金对接接头的激光-MIG复合焊接过程为例进行模拟计算，验证本发明的有益效果。
激光-MIG复合焊接实验使用的母材为5083-H111铝合金，试板尺寸为100mm×60mm×6mm，焊材牌号ER5087，焊丝直径为1.2mm。焊前，依次采用丙酮、7wt.％氢氧化钠水溶液和28wt.％硝酸溶液对5083-H111铝合金试板表面进行清洗。使用HL4406D型YAG激光器和Panasonic YD-500AG2电源实施焊接，焊接工艺参数为激光功率P＝4kW，焊接速度v＝12mm/s，MIG焊的电流80A，电压为20V。焊后，采用线切割切取焊缝中部，经研磨抛光后，采用凯勒试剂腐蚀，利用体式显微镜获得焊缝截面形貌。
第一步：基于Visual Mesh软件进行实体建模和网格划分，靠近焊缝的区域采用单元较小的加密型网格，离焊缝越远，网格尺寸越大，共29980个单元，25437个节点。
第二步：加载本发明所提供的热源模型，相关参数如下表：
第三步：设置工件地面与工作台之间存在传导换热，其他表面的热边界条件为热对流和热辐射。采用Sysweld软件求解焊接热过程，提取焊缝截面形貌。
为了验证模型计算结果的准确性，将计算结果与实际焊缝进行比较，如图2所示，通过比较可以看出，本发明所提供的热源模型得到了与实际焊缝相似度很高的熔池形貌，且尺寸吻合较好。

Claims (4)

1.一种激光-MIG复合焊热源模型的建立方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步，建立激光-MIG复合焊接三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立几何模型，利用网格划分软件或者有限元模拟软件对工件进行网格划分；
第二步，建立三维激光-MIG复合焊热源模型，基于FORTRAN语言，开发组合热源模型；其中：
工件的上半部分采用双椭球体热源模型，控制方程如公式(1)～(3)：
qV1＝qf+qr (3)；
公式(1)～(3)中：QV1为双椭球体热源占有的能量，af、ar、b、c为双椭球体热源形状参数，H1为双椭球体热源作用高度；qf和qr分别为前、后半椭球体内的热流密度分布；qV1为双椭球体热源热流密度分布；
工件的下半部分采用圆柱体热源模型，控制方程如公式(4)：
公式(4)中：QV2为圆柱体热源占有的能量，r0为高斯面热源有效加热半径，H2为圆柱体热源作用高度，其值为H2＝d-H1，d为工件厚度；qV2为圆柱体热源热流密度分布；
对于整个激光-MIG复合焊热源来说，总功率Qtotal等于各组合部分热源功率之和，如公式(5)；
公式(5)中：QV1＝χ1Qtotal，QV2＝χ2Qtotal，χ1+χ2＝1，χ1和χ2分别为上、下部分热源的功率分配系数；
第三步，基于有限元模拟软件求解控制方程，进行温度场计算：
将第二步所建立的激光-MIG复合焊热源模型加载到有限元网格模型上，设置热边界条件，计算求解，完成热源模型建立，获得焊接温度场和焊缝截面形貌。
2.根据权利要求1所述的激光-MIG复合焊热源模型的建立方法，其特征在于：第一步中，三维有限元网格模型是针对对接接头的激光-MIG复合焊接过程建立。
3.根据权利要求1所述的激光-MIG复合焊热源模型的建立方法，其特征在于：第一步中，网格划分时在焊缝及其周围区域进行网格细化，以减少误差。
4.根据权利要求1所述的激光-MIG复合焊热源模型的建立方法，其特征在于：第三步中，激光-MIG复合焊接形成的温度场控制方程如公式(6)：
公式(6)中：T为温度，t为时间，ρ为材料的密度，cp为材料的比热容，k为材料的导热系数，x、y、z为坐标系中的三向坐标。
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