CN110640316A - 一种双光束激光焊接优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光束激光焊接优化方法，采用有限体积法分析软件FLUENT对异种金属焊接时的熔池流动特征进行数值模拟，可以获得温度云图，熔宽及熔深。再利用X射线计算机断层扫描技术可以获得异种金属内部的三维形貌和孔洞体积。采用最优拉丁超立方设计—响应面法对激光焊接进行优化设计，建立起激光工艺参数、熔池特征和焊缝特征之间的映射关系，具体包括以下步骤：S1、采样，S2、仿真模拟，S3、扫描信息，S4、响应面关系图，S5、预测模型，S6、优化焊缝。本发明具有以下优点和效果：本发明采样分布均匀，预测模型准确，主要应用于焊缝质量优化以及指导激光工艺参数的选取，为经验不足的人提供了指导，能提高焊接效率和焊缝质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光焊接领域，特别涉及一种双光束激光焊接优化方法。
背景技术
激光焊接技术与其他熔焊技术相比，在焊接精度、效率等方面具有明显的优势，已在汽车、航空航天等工业领域得到广泛应用。但实际应用中发现单焦点激光有一定的局限性，如光斑尺寸小，能量密度高，熔池匙孔处剧烈波动，有大量气孔生成，导致焊缝质量差等。研究表明双光束激光能很好的解决这些问题，能大大提高焊接的稳定性。与单激光相比，双光束激光可调性大，新增了部分激光工艺参数，包括光斑间距、能量比以及排布方式等等，因此工艺变得复杂了许多。但目前关于双光束激光研究的机制还不是很成熟，很难把握焊接工艺参数与焊缝质量的关系，不能有效地指导焊接工艺的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种双光束激光焊接优化方法，采用计算机仿真技术和计算机扫描技术并结合了相应的优化方法，建立了工艺参数、熔池特征、焊缝质量之间的映射关系，能指导人们更改熔深、熔宽获得较好的焊接质量，通过预测模型也能反向指导工艺参数的选取；计算机仿真能节约人们的时间，降低实验成本。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种双光束激光焊接优化方法，包括采用最优拉丁超立方设计—响应面法和有限体积法并结合计算机断层扫描技术建立起激光工艺参数、熔池特征和焊缝质量的映射模型，具体包括以下步骤：
S1、采样：采用最优拉丁超立方进行试验样本采样，选取激光功率、焊接速度、离焦量和光斑间距作为工艺参数的影响因子；
S2、仿真模拟：利用有限体积法分析软件FLUENT对步骤S1中不同工艺参数条件下的异种金属双光束激光焊接进行数值模拟，计算熔池的熔深和熔宽；
S3、扫描信息：对实验得到的样件进行X射线计算机断层扫描，获取三维信息，记录孔洞体积；
S4、响应面关系图：利用步骤S1、S2、S3得到的实验数据，以激光工艺参数为自变量，熔深熔宽和孔洞体积为响应值，建立多项式回归方程，得到响应面关系图；
S5、预测模型：利用步骤S4得到的响应面关系图对熔深熔宽进行预测，从而指导激光工艺参数的选取；
S6、优化焊缝：利用步骤S4得到的响应面关系图在焊接实验时可以指导熔深熔宽改进，从而得到优化的焊缝质量。
进一步设置为：步骤S1中的激光功率1200～2000w、焊接速度25～35mm/s、离焦量2～8mm、光斑间距0.3～0.9mm。
进一步设置为：对步骤S6中得到的焊缝进行冷却。
本发明具有以下有益效果：本发明通过采用最优拉丁超立方设计—响应面法和有限体积法并结合计算机断层扫描技术建立起激光工艺、熔池特征和焊缝质量的映射模型，发现了他们三者之间的内在联系，在综合考虑焊缝质量的条件下，能有效指导激光工艺的选取和对熔池特征的改进，提高了焊接质量和效率。最优拉丁采样使样本分布更加均匀，填充性和均衡性更好，选取的四因素二阶响应面法，样本容量小，响应面关系图精确度高，对熔深、熔宽及焊缝的预测准确。能大大节约实验的时间和成本。
附图说明
图1为本发明双光束激光焊接优化方法流程图；
图2为其中一部分响应面关系图；
图3为其中另一部分响应面关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考图1至图3，一种双光束激光焊接优化方法，包括以下步骤：
S1、采样：采用最优拉丁超立方进行试验样本采样，选取激光功率、焊接速度、离焦量和光斑间距为工艺参数的影响因子，其中激光功率1200～2000w、焊接速度25～35mm/s、离焦量2～8mm、光斑间距0.3～0.9mm。采样数据如下表1所示。
S2、仿真模拟：利用有限体积法软件FLUENT对步骤S1中不同工艺参数条件下的异种金属进行熔池流动数值模拟，其中采用双旋转高斯热源模型表示双光束激光热源，编译好udf及相应的边界条件，计算熔池的熔深和熔宽。通过仿真模拟得到的熔深、熔宽如下表1所示。
S3、扫描信息：进行相同工艺下的激光焊接实验，对实验得到的样件进行X射线计算机断层扫描，获取三维信息，记录孔洞体积。测量的孔洞体积如下表1所示。
S4、响应面关系图：利用步骤S1、S2、S3得到的实验数据，以工艺参数为自变量，熔深熔宽和孔洞体积为响应值，建立多项式回归方程，在Isight软件中得到响应面关系图。
S5、预测模型：在Isight软件中得到响应面关系图后，只要输入最优拉丁超立方取样范围内的工艺参数，软件就能自动预测出熔深熔宽和最大孔洞体积的值。Isight中也可以在设定目标熔深熔宽后，反向预测工艺参数，用于指导我们对参数的选取。
S6、优化焊缝：在激光工艺确定的条件下，熔深熔宽和最大孔洞体积对应的响应面关系图可以指导我们在焊接过程中用冷却的方式改变熔深、熔宽值得到较优的焊缝质量。
仿真情况如下：
（1）试验以镁铝异种金属作为焊接材料，采用平板堆焊方式焊接，样品规格为50mm×50mm×2mm，采用对接接头，对接间隙为0.3mm。采用纯氩作为保护气，流量为20L/min。
（2）表1为最优拉丁采样数据与实验数据记录表格，表2为预测值与仿真值对比表格。
表1最优拉丁超立方采样数据及实验数据表：
表2预测值与仿真值对比表：
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (3)
1.一种双光束激光焊接优化方法，其特征在于：包括采用最优拉丁超立方设计—响应面法和有限体积法并结合计算机断层扫描技术建立起激光工艺参数、熔池特征和焊缝质量的映射模型，具体包括以下步骤：
S1、采样：采用最优拉丁超立方进行试验样本采样，选取激光功率、焊接速度、离焦量和光斑间距作为工艺参数的影响因子；
S2、仿真模拟：利用有限体积法分析软件FLUENT对步骤S1中不同工艺参数条件下的异种金属双光束激光焊接进行数值模拟，计算熔池的熔深和熔宽；
S3、扫描信息：对实验得到的样件进行X射线计算机断层扫描，获取三维信息，记录孔洞体积；
S4、响应面关系图：利用步骤S1、S2、S3得到的实验数据，以激光工艺参数为自变量，熔深熔宽和孔洞体积为响应值，建立多项式回归方程，得到响应面关系图；
S5、预测模型：利用步骤S4得到的响应面关系图对熔深熔宽进行预测，从而指导激光工艺参数的选取；
S6、优化焊缝：利用步骤S4得到的响应面关系图在焊接实验时可以指导熔深熔宽改进，从而得到优化的焊缝质量。
2.根据权利要求1所述的一种双光束激光焊接优化方法，其特征在于：步骤S1中的激光功率1200～2000w、焊接速度25～35mm/s、离焦量2～8mm、光斑间距0.3～0.9mm。
3.根据权利要求1所述的一种双光束激光焊接优化方法，其特征在于：对步骤S6中得到的焊缝进行冷却。
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