本發(fā)明涉及到激光-電弧復(fù)合加工數(shù)值模擬領(lǐng)域，這其中包含了焊接和增材制造。具體涉及一種基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工熱源能量分配系數(shù)模型。
背景技術(shù)：
：復(fù)合材料以其疲勞性能好、比重小、強(qiáng)度高等諸多特點，成為制造大型飛機(jī)的基本材料之一，而被用來減輕大型飛機(jī)產(chǎn)品中機(jī)體結(jié)構(gòu)的重量，降低運營成本和延長維護(hù)間隔等綜合效益。因此，復(fù)合材料制備技術(shù)成為研制國產(chǎn)大型飛機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。飛機(jī)復(fù)合材料零件是使用設(shè)計制造的模具一次性復(fù)合并固化成形的，對于成型后的復(fù)合材料零件不需要再進(jìn)行加工，因此，復(fù)合材料零件的成形質(zhì)量直接受到設(shè)計制造的模具的優(yōu)劣的影響。相比國外，國內(nèi)通常還采用碳鋼和鋁合金等金屬材料來制造復(fù)合材料成型模具，但是制造出來的模具滿足不了先進(jìn)復(fù)合材料熱壓生產(chǎn)中對模具材料提出的一系列要求，使成型后的復(fù)合材料零件存在諸多問題，例如熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的尺寸和型面超差以及固化殘余應(yīng)力等。而Invar鋼由于具有較小的熱膨脹系數(shù)，并且與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)相近，這就使得復(fù)合材料成型過程中，模具在變溫條件下，穩(wěn)定性好，真空穩(wěn)固性好，解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料成型模具材料存在的問題。因此，Invar鋼是用來制造復(fù)合材料成型模具的首選材料。但是，由于飛機(jī)復(fù)合材料零件尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這就使得復(fù)合材料成型模具一次成型困難，因此，焊接就成為模具成型的關(guān)鍵方法之一。另外，模具在長期地使用過程中，要經(jīng)受高溫、高應(yīng)力、高腐蝕的作用，這使得模具經(jīng)歷一定的使用周期之后，將會出現(xiàn)很嚴(yán)重的磨蝕，這將影響到模具的使用，導(dǎo)致生產(chǎn)的零件不符合要求。比較節(jié)約成本的方法就是對磨蝕的部分進(jìn)行修復(fù)。增材制造表面修復(fù)技術(shù)成為模具修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。光纖激光-電弧復(fù)合加工是一種新型高效的加工方法，同時具有電弧和激光加工的優(yōu)點，另外由于激光和電弧兩種熱源的相互作用，又彌補(bǔ)了各自的不足，這很好地滿足了Invar合金模具的生產(chǎn)加工需求，可用于模具前期的焊接生產(chǎn)制造，也可用與模具后期修復(fù)，其運用前景巨大。目前，光纖激光-電弧復(fù)合加工Invar鋼已經(jīng)被證明是一種可行，并且高質(zhì)量的加工技術(shù)。在激光-電弧復(fù)合加工過程中，加工結(jié)構(gòu)件上溫度場的分布對其應(yīng)力分布、變形、流場和焊縫晶粒大小都有直接影響。準(zhǔn)確的溫度場分布，將使結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)力分布、變形、流場和焊縫晶粒大小的計算更為精確。因此，進(jìn)行Invar鋼激光-電弧復(fù)合加工溫度場數(shù)值模擬研究將對加工工藝提供理論指導(dǎo)。但是，一直以來，對于激光-電弧復(fù)合加工熱源模型的處理不甚理想。激光-電弧復(fù)合加工是將激光熱源和電弧熱源同時復(fù)合到一起，對材料進(jìn)行焊接或者增材制造表面修復(fù)。激光作用的有效半徑很小，是一種高能束熱源，通過加熱材料使其融化蒸發(fā)，從而在材料表面形成匙孔，這樣就會產(chǎn)生一定深寬比的熔池，最終形成“釘子”形的熔池形貌；電弧熱源的能量密度相對較小，但其有效作用半徑很大，熔深比較淺，這樣就形成了橢球形的熔池形貌。當(dāng)將兩種熱源復(fù)合后加載到材料上，材料對激光的發(fā)射率會降低而吸收率提高，同時，電弧會由于激光產(chǎn)生的小孔效應(yīng)而被壓縮，從而使電弧能量高度集中。因此，激光-電弧復(fù)合加工同時具有激光的深熔小孔效應(yīng)和電弧的橢球形熔池形狀，同時兩種熱源還相互影響著各自的能量分布。胥國祥根據(jù)復(fù)合熱源焊焊縫橫截面的形狀特點，提出了四類組合體積熱源作用模式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，建立了適合復(fù)合焊的組合式熱源模型。趙宇宏等人通過將高斯面熱源和雙橢球提熱源進(jìn)行組合以作為激光-TIG復(fù)合焊熱源模型。王慧針對激光深熔焊焊縫的特點，建立了高斯面熱源和雙橢球體熱源組合的熱源模型。激光-電弧復(fù)合加工熱源是把激光熱源和電弧熱源作為一個整體的熱源模式，兩種熱源在同時作用于材料的過程中，是有一個能量分配比例的。但是由上面的分析可以看出，這個熱源分配比例的模型還不是太明確，這影響了數(shù)值模擬技術(shù)的精確性。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決
背景技術(shù)：
中所存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工熱源能量分配系數(shù)模型。本發(fā)明根據(jù)激光-電弧復(fù)合加工熱源作用區(qū)域調(diào)節(jié)熱源模型參數(shù)，使理論熱源模型更加符合實際的物理現(xiàn)象，可以方便快捷精確地調(diào)整熱源模型，能夠準(zhǔn)確地獲得數(shù)值模擬所需要的熔池，為激光-電弧復(fù)合焊焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形的預(yù)測提供有力的幫助。同時可推廣到激光-電弧復(fù)合焊流場和增材制造模擬的推廣。為了達(dá)到上面的一系列目的，本發(fā)明提出了一下的技術(shù)方案：一種基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工的能量分配系數(shù)模型的構(gòu)建方法，通過分析激光-電弧復(fù)合加工的熱源在材料中作用區(qū)域的特點，將激光熱源用圓柱體熱源模型來表示，電弧熱源用雙橢球熱源模型來表示；基于激光熱源和電弧熱源的相互作用機(jī)理，在激光-電弧復(fù)合加工的熱源有效作用深度上，根據(jù)激光熱源與電弧熱源的各自熱源有效作用深度不同，將激光-電弧復(fù)合加工的熱源作用區(qū)域前端認(rèn)定為激光熱源作用區(qū)域，而激光-電弧復(fù)合加工的熱源作用區(qū)域后端則認(rèn)定為電弧熱源作用區(qū)域，由此得到激光-電弧復(fù)合加工的熱源復(fù)合模型，進(jìn)而可得到激光-電弧復(fù)合加工中，激光熱源與電弧熱源的能量分配比例模型。激光-電弧復(fù)合加工中，激光熱源與電弧熱源的能量分配比例模型為：式中：f1為電弧熱源的能量分配系數(shù)；f2為激光熱源的能量分配系數(shù)；a為電弧熱源的雙橢球熱源模型的寬，c為電弧熱源的雙橢球熱源模型的球前，h1為電弧熱源的有效作用深度；h2為激光熱源的熱源有效作用深度，re、ri分別為激光熱源的圓柱體熱源模型的最大、最小半徑。采用上面論述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有下面的突出優(yōu)點：1、本發(fā)明所述的一種所述的基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工的能量分配系數(shù)模型的構(gòu)建方法，本發(fā)明由于能夠可以對能量分配系數(shù)方便快捷的調(diào)節(jié)，這使得激光-電弧復(fù)合加工的數(shù)值模擬二次開發(fā)更為方便簡單；本發(fā)明通過推導(dǎo)所得到的熱源能量分配系數(shù)模型與所加工材料的熔池形貌有很大的相關(guān)性，這摒棄了以往根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整熱源能量分配系數(shù)的誤差，使得計算得到溫度更為準(zhǔn)確。2、使用計算機(jī)編程語言，將上面提出的熱源模型程序化，得到仿真分析的程序腳本，能夠?qū)崿F(xiàn)與仿真軟件結(jié)構(gòu)對接：3、將上步的程序腳本接入到仿真分析軟件，對數(shù)值分析模型進(jìn)行求解計算，就能夠精確地得到激光-電弧復(fù)合加工的溫度場。4、上面所述的復(fù)合熱源模型是由雙橢球熱源和圓柱體熱源復(fù)合而成，這兩個熱源模型的復(fù)合不是簡單地疊加，而是相互銜接。5、根據(jù)激光和電弧的相互作用機(jī)理，上述的能量分配系數(shù)模型是根據(jù)不同熱源的能量系數(shù)在整個復(fù)合熱源能量系數(shù)中所占比例而得。6、將雙橢球熱源和圓柱體熱源模型復(fù)合到一起的熱源模型，其中的雙橢球部分與圓柱體部分相互影響，調(diào)整其中一部分都將影響到另一部分。附圖說明圖1為激光-電弧復(fù)合加工的熱源模型示意圖圖2為試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意圖圖3為案例一的激光-電弧復(fù)合加工熔池形貌模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比圖圖4為案例二的激光-電弧復(fù)合加工熔池形貌模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比圖圖5為案例三的激光-電弧復(fù)合加工熔池形貌模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比圖具體實施方式本發(fā)明將通過下面提供的詳細(xì)說明，但需要說明的是本發(fā)明是遠(yuǎn)超于下面的例子：結(jié)合附圖1-3所述的一種基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工的能量分配系數(shù)模型的構(gòu)建方法，根據(jù)激光-電弧復(fù)合加工的熱源在材料中的作用區(qū)域，將激光熱源用圓柱體熱源模型來表示，電弧熱源用雙橢球熱源模型來表示，基于激光和電弧的相互作用機(jī)理，得到兩種熱源的能量分配比例模型。其具體步驟如：一、分析激光-電弧復(fù)合熱源在材料中作用區(qū)域的特點：激光作用的有效半徑很小，是一種高能束熱源，通過加熱材料使其融化蒸發(fā)，從而在材料表面形成匙孔，這樣就會產(chǎn)生一定深寬比的熔池；電弧熱源的能量密度相對較小，但其有效作用半徑很大。當(dāng)將兩種熱源復(fù)合后加載到材料上，材料對激光的發(fā)射率會降低而吸收率提高，同時，電弧會由于激光產(chǎn)生的小孔效應(yīng)而被壓縮，從而使電弧能量高度集中。因此，激光-電弧復(fù)合加工同時具有激光的深熔小孔效應(yīng)和電弧的橢球形熔池形狀。換句話說，激光-電弧復(fù)合熱源在材料中作用區(qū)域的特點具體為：通過激光熱源和電弧熱源的相互作用，激光-電弧復(fù)合加工同時具有激光熱源的深熔小孔效應(yīng)和電弧熱源的橢球形熔池形狀；同時，在激光-電弧復(fù)合加工的熱源有效作用深度上，激光熱源作用于激光-電弧復(fù)合加工的熱源作用區(qū)域前端，而電弧熱源則作用于激光-電弧復(fù)合加工的熱源作用區(qū)域后端。二、建立電弧熱源模型：式中，a為雙橢球的寬，c為雙橢球的球前，h1為熱源有效作用深度，Q1是熱源的有效功率，η1為功率有效系數(shù)，P1為實際功率。其中，可將上面的公式寫成：公式中，A為電弧熱源的能量系數(shù)，f1(x,y,z)為雙橢球的形函數(shù)。三、建立激光熱源模型：式中，h2為圓錐體熱源的熱源有效作用深度，re，ri為圓錐熱源的最大和最小半徑，η2為功率有效系數(shù)，P2為實際功率，其中rc是激光熱源在其熱源有效作用深度h2上的熱分配系數(shù)。h為熱源的作用位置。其中可將上式寫成：公式中，A1為電弧熱源的能量系數(shù)，f2(x,y,z)為圓柱體的形函數(shù)。四、將兩種熱源模型復(fù)合一起建立復(fù)合熱源模型：在整個Z方向上，將激光-電弧復(fù)合加工的熱源模型分成上下兩部分，上面部分為電弧熱源，下面部分為圓柱體熱源，組合形成一種復(fù)合熱源型模，其公式：當(dāng)0≤z≤h1，即復(fù)合熱源的上面部分的熱源分布系數(shù)為：其中f1為電弧熱源的能量分配系數(shù)。當(dāng)h1≤z≤h1+h2，即復(fù)合熱源的下面部分的熱源分布系數(shù)為：其中f2為激光熱源的能量分配系數(shù)。五、建立能量分配比例模型：f1和f2作為復(fù)合焊熱源模型的能量分配系數(shù)：f1+f2＝1。能量分配系數(shù)跟熱源模型的尺寸參數(shù)存在很大相關(guān)性。根據(jù)二、三步中的A、A1的公式可得到能量分配數(shù)為：進(jìn)一步，可得：六、進(jìn)行二次開發(fā)，得到熱源模型的程序文本：使用計算機(jī)編程語言，將上面提出的熱源模型程序化，得到仿真分析的程序腳本，然后與仿真軟件結(jié)構(gòu)對接：七、溫度場仿真分析：將上步的程序腳本接入到仿真分析軟件，對數(shù)值分析模型進(jìn)行求解計算，就能夠精確地得到激光-電弧復(fù)合加工的溫度場。上面所述的復(fù)合熱源模型是由雙橢球熱源和圓柱體熱源復(fù)合而成，這兩個熱源模型的復(fù)合不是簡單地疊加，而是相互銜接。根據(jù)激光和電弧的相互作用機(jī)理，上述的能量分配系數(shù)模型是根據(jù)不同熱源的能量系數(shù)在整個復(fù)合熱源能量系數(shù)中所占比例而得。將雙橢球熱源和圓柱體熱源模型復(fù)合到一起的熱源模型，其中的雙橢球部分與圓柱體部分相互影響，調(diào)整其中一部分都將影響到另一部分。本發(fā)明的具體實施案例一如下：對50mm×50mm×19.05mm的合金鋼板進(jìn)行切削加工，開30°的V型坡口，預(yù)留6mm的鈍邊，試樣尺寸如圖2所示。Invar合金在切削和表面處理之后，在其表面會存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂紙對試樣進(jìn)行打磨，然后用丙酮對試樣進(jìn)行清洗，最后用酒精對其進(jìn)行擦拭。采用如表1所示的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。案例號激光功率/W焊接電流/I焊接電壓/V焊接速度/(m·min-1)1550024024.31通過復(fù)合焊實驗，在熔池凝固后，得到激光-電弧復(fù)合焊焊縫的宏觀形貌及焊縫形貌參數(shù)。然后，根據(jù)焊縫的形貌參數(shù)得到激光-電弧復(fù)合焊熱源模型的各尺寸參數(shù)，再根據(jù)本發(fā)明提出的熱源模型公式，即編寫熱源子程序，然后接入到有限元分析軟件，計算得到溫度場，再與實際的焊縫形貌進(jìn)行對比，如圖2所示。通過采用本發(fā)明的基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工熱源能量分配系數(shù)模型模擬的焊縫形貌，與實際的焊縫形貌吻合良好，能夠精確的模擬激光-電弧復(fù)合焊的溫度場。本發(fā)明的具體實施案例二如下：對50mm×50mm×19.05mm的合金鋼板進(jìn)行切削加工，開30°的V型坡口，預(yù)留6mm的鈍邊，試樣尺寸如圖2所示。Invar合金在切削和表面處理之后，在其表面會存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂紙對試樣進(jìn)行打磨，然后用丙酮對試樣進(jìn)行清洗，最后用酒精對其進(jìn)行擦拭。采用如表1所示的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。案例號激光功率/W焊接電流/I焊接電壓/V焊接速度/(m·min-1)2240025024.60.35通過復(fù)合焊實驗，在熔池凝固后，得到激光-電弧復(fù)合焊焊縫的宏觀形貌及焊縫形貌參數(shù)。然后，根據(jù)焊縫的形貌參數(shù)得到激光-電弧復(fù)合焊熱源模型的各尺寸參數(shù)，再根據(jù)本發(fā)明提出的熱源模型公式，即編寫熱源子程序，然后接入到有限元分析軟件，計算得到溫度場，再與實際的焊縫形貌進(jìn)行對比，如圖2所示。通過采用本發(fā)明的基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工熱源能量分配系數(shù)模型模擬的焊縫形貌，與實際的焊縫形貌吻合良好，能夠精確的模擬激光-電弧復(fù)合焊的溫度場。本發(fā)明的具體實施案例三如下：對50mm×50mm×19.05mm的合金鋼板進(jìn)行切削加工，開30°的V型坡口，預(yù)留6mm的鈍邊，試樣尺寸如圖2所示。Invar合金在切削和表面處理之后，在其表面會存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂紙對試樣進(jìn)行打磨，然后用丙酮對試樣進(jìn)行清洗，最后用酒精對其進(jìn)行擦拭。采用如表1所示的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。案例號激光功率/W焊接電流/I焊接電壓/V焊接速度/(m·min-1)3220030026.60.35通過復(fù)合焊實驗，在熔池凝固后，得到激光-電弧復(fù)合焊焊縫的宏觀形貌及焊縫形貌參數(shù)。然后，根據(jù)焊縫的形貌參數(shù)得到激光-電弧復(fù)合焊熱源模型的各尺寸參數(shù)，再根據(jù)本發(fā)明提出的熱源模型公式，即編寫熱源子程序，然后接入到有限元分析軟件，計算得到溫度場，再與實際的焊縫形貌進(jìn)行對比，如圖2所示。通過采用本發(fā)明的基于精準(zhǔn)能量分配的激光-電弧復(fù)合加工熱源能量分配系數(shù)模型模擬的焊縫形貌，與實際的焊縫形貌吻合良好，能夠精確的模擬激光-電弧復(fù)合焊的溫度場。本發(fā)明存在以下的優(yōu)點：1.本發(fā)明由于能夠可以對能量分配系數(shù)方便快捷的調(diào)節(jié)，這使得激光-電弧復(fù)合加工的數(shù)值模擬二次開發(fā)給為方便簡單。2.本發(fā)明通過推導(dǎo)所得到的熱源能量分配系數(shù)模型與所加工材料的熔池形貌有很大的相關(guān)性，這摒棄了以往根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整熱源能量分配系數(shù)的誤差，使得計算得到溫度更為準(zhǔn)確。3.本發(fā)明可以用于焊接和增材制造的數(shù)值模擬。當(dāng)前第1頁1 2 3