CN110640316B - 一种双光束激光焊接优化方法 - Google Patents

一种双光束激光焊接优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110640316B
CN110640316B CN201910827838.0A CN201910827838A CN110640316B CN 110640316 B CN110640316 B CN 110640316B CN 201910827838 A CN201910827838 A CN 201910827838A CN 110640316 B CN110640316 B CN 110640316B
Authority
CN
China
Prior art keywords
welding
process parameters
response surface
laser
penetration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910827838.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110640316A (zh
Inventor
周建锡
谢锡贵
仲召杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wenzhou University
Original Assignee
Wenzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wenzhou University filed Critical Wenzhou University
Priority to CN201910827838.0A priority Critical patent/CN110640316B/zh
Publication of CN110640316A publication Critical patent/CN110640316A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110640316B publication Critical patent/CN110640316B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

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

一种双光束激光焊接优化方法
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2预测值与仿真值对比表：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
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 (2)

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指导用冷却的方式改变熔深、熔宽值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。
CN201910827838.0A 2019-09-03 2019-09-03 一种双光束激光焊接优化方法 Active CN110640316B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910827838.0A CN110640316B (zh) 2019-09-03 2019-09-03 一种双光束激光焊接优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910827838.0A CN110640316B (zh) 2019-09-03 2019-09-03 一种双光束激光焊接优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110640316A CN110640316A (zh) 2020-01-03
CN110640316B true CN110640316B (zh) 2021-05-21

Family

ID=69010148

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910827838.0A Active CN110640316B (zh) 2019-09-03 2019-09-03 一种双光束激光焊接优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110640316B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111805087B (zh) * 2020-05-20 2022-02-15 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 双光束激光焊接方法及焊接装置
CN111876829B (zh) * 2020-07-30 2022-03-08 中国科学院金属研究所 脉冲激光3d打印单晶高温合金工艺参数的优选方法
CN112247405B (zh) * 2020-09-07 2022-07-15 河海大学常州校区 基于灰色关联分析的水下湿法焊接焊缝熔深的预测方法
CN112157368B (zh) * 2020-09-24 2021-11-23 长春理工大学 一种激光非熔透焊接焊缝熔深无损检测方法
CN112355438A (zh) * 2020-10-13 2021-02-12 绍兴汉立工业自动化科技有限公司 一种用于集装箱波纹焊的机器人自动焊接工艺
CN112380743B (zh) * 2020-11-02 2023-03-24 湖北文理学院 一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法
CN113305435B (zh) * 2021-05-25 2022-04-26 华中科技大学 激光搅拌焊接中气孔抑制的工艺参数优化方法及系统
CN113657040A (zh) * 2021-08-24 2021-11-16 山东大学 一种基于神经进化的激光扫描焊接熔深预测方法及应用
CN114019024B (zh) * 2021-11-16 2023-09-15 南昌航空大学 一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法及系统
CN114273754B (zh) * 2022-01-20 2023-10-20 成都熊谷加世电器有限公司 一种自动焊接控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103264225A (zh) * 2013-05-15 2013-08-28 江苏大学 一种激光对接焊工艺参数的优化方法和装置
TWI411484B (zh) * 2010-11-17 2013-10-11 Chun Hao Li 雷射製程參數調校方法及自動參數調校之雷射加工機
CN105583522A (zh) * 2016-03-21 2016-05-18 苏州大学 一种熔覆层侧向搭接方法和装置
CN107598370A (zh) * 2017-08-28 2018-01-19 温州大学 一种钢/铝激光焊接的工艺优化方法
CN108038297A (zh) * 2017-12-07 2018-05-15 广东正业科技股份有限公司 一种计算激光加工系统工艺参数的方法、装置及系统
CN109604823A (zh) * 2018-12-18 2019-04-12 湖南大学 一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI411484B (zh) * 2010-11-17 2013-10-11 Chun Hao Li 雷射製程參數調校方法及自動參數調校之雷射加工機
CN103264225A (zh) * 2013-05-15 2013-08-28 江苏大学 一种激光对接焊工艺参数的优化方法和装置
CN105583522A (zh) * 2016-03-21 2016-05-18 苏州大学 一种熔覆层侧向搭接方法和装置
CN107598370A (zh) * 2017-08-28 2018-01-19 温州大学 一种钢/铝激光焊接的工艺优化方法
CN108038297A (zh) * 2017-12-07 2018-05-15 广东正业科技股份有限公司 一种计算激光加工系统工艺参数的方法、装置及系统
CN109604823A (zh) * 2018-12-18 2019-04-12 湖南大学 一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1420 铝锂合金的双光束激光焊接;黄瑞;《中国硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20071231;第7-23页 *
钢-铝激光熔钎焊微观孔洞形成机理及其三维特征研究;管倩倩;《中国硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20190131;第13-52页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110640316A (zh) 2020-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110640316B (zh) 一种双光束激光焊接优化方法
CN107598370B (zh) 一种钢/铝激光焊接的工艺优化方法
Da Silva et al. The influence of double pulse on porosity formation in aluminum GMAW
Bendaoud et al. The numerical simulation of heat transfer during a hybrid laser–MIG welding using equivalent heat source approach
Kamble et al. Experimental investigation on the effects of process parameters of GMAW and transient thermal analysis of AISI321 steel
CN104298817A (zh) 一种用于模拟高能束焊接的双椭圆指数衰减体热源模型
Bidi et al. The use of exploratory experimental designs combined with thermal numerical modelling to obtain a predictive tool for hybrid laser/MIG welding and coating processes
Barrionuevo et al. A machine learning approach for the prediction of melting efficiency in wire arc additive manufacturing
Kumar et al. Experimental determination of cooling rate and its effect on microhardness in submerged arc welding of mild steel plate (grade c-25 as per IS 1570)
Ismail et al. Thermal analysis on a weld joint of aluminium alloy in gas metal arc welding.
Wang et al. A simplified modelling approach for thermal behaviour analysis in hybrid plasma arc-laser additive manufacturing
Giudice et al. Parameterized multipoint-line analytical modeling of a mobile heat source for thermal field prediction in laser beam welding
Li et al. Research on heat source model and weld profile for fiber laser welding of A304 stainless steel thin sheet
CN110340529A (zh) 一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法
Mahapatra et al. Three-dimensional finite element analysis to predict the effects of shielded metal arc welding process parameters on temperature distributions and weldment zones in butt and one-sided fillet welds
CN111680442B (zh) 一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法
Zhou et al. Effect of power distribution on the temperature evolution in laser-MIG hybrid welding for Q235 steel
Couedel et al. 2D-heat transfer modelling within limited regions using moving sources: application to electron beam welding
Möller et al. Novel multi focus optic approach for gas-tight welding of aluminum alloys in e-mobility
Nascimento et al. A literature review in heat source thermal modeling applied to welding and similar processes
Doshi et al. Investigations of heat source models in transient thermal simulation of pulsed MIG welding of AA6061-T6 thin sheet
Möller et al. Spatially tailored laser energy distribution using innovative optics for gas-tight welding of casted and wrought aluminum alloys in e-mobility
Shinde et al. Effect of alternate supply of shielding gases of tungsten inert gas welding on mechanical properties of austenitic stainless steel
Chandrasekhar et al. Finite element modeling and optimization of hybrid laser–TIG welding of type 316L (N) austenitic stainless steel
Tongov et al. Practice Oriented Heat Source Model Calibration

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant