本發(fā)明涉及到激光-電弧復合加工數(shù)值模擬領域，這其中包含了焊接和增材制造。具體涉及一種基于精準能量分配的激光-電弧復合加工熱源能量分配系數(shù)模型。
背景技術：
：復合材料以其疲勞性能好、比重小、強度高等諸多特點，成為制造大型飛機的基本材料之一，而被用來減輕大型飛機產(chǎn)品中機體結構的重量，降低運營成本和延長維護間隔等綜合效益。因此，復合材料制備技術成為研制國產(chǎn)大型飛機的關鍵性技術之一。飛機復合材料零件是使用設計制造的模具一次性復合并固化成形的，對于成型后的復合材料零件不需要再進行加工，因此，復合材料零件的成形質(zhì)量直接受到設計制造的模具的優(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合材料成型模具，但是制造出來的模具滿足不了先進復合材料熱壓生產(chǎn)中對模具材料提出的一系列要求，使成型后的復合材料零件存在諸多問題，例如熱膨脹系數(shù)差異導致的尺寸和型面超差以及固化殘余應力等。而Invar鋼由于具有較小的熱膨脹系數(shù)，并且與復合材料的熱膨脹系數(shù)相近，這就使得復合材料成型過程中，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)復合材料成型模具材料存在的問題。因此，Invar鋼是用來制造復合材料成型模具的首選材料。但是，由于飛機復合材料零件尺寸較大，結構復雜，這就使得復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)很嚴重的磨蝕，這將影響到模具的使用，導致生產(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行修復。增材制造表面修復技術成為模具修復的關鍵技術。光纖激光-電弧復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，其運用前景巨大。目前，光纖激光-電弧復合加工Invar鋼已經(jīng)被證明是一種可行，并且高質(zhì)量的加工技術。在激光-電弧復合加工過程中，加工結構件上溫度場的分布對其應力分布、變形、流場和焊縫晶粒大小都有直接影響。準確的溫度場分布，將使結構件上的應力分布、變形、流場和焊縫晶粒大小的計算更為精確。因此，進行Invar鋼激光-電弧復合加工溫度場數(shù)值模擬研究將對加工工藝提供理論指導。但是，一直以來，對于激光-電弧復合加工熱源模型的處理不甚理想。激光-電弧復合加工是將激光熱源和電弧熱源同時復合到一起，對材料進行焊接或者增材制造表面修復。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。當將兩種熱源復合后加載到材料上，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)生的小孔效應而被壓縮，從而使電弧能量高度集中。因此，激光-電弧復合加工同時具有激光的深熔小孔效應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，并在此基礎上進行了改進，建立了適合復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行組合以作為激光-TIG復合焊熱源模型。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)值模擬技術的精確性。技術實現(xiàn)要素：為了解決
背景技術：
中所存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于精準能量分配的激光-電弧復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，能夠準確地獲得數(shù)值模擬所需要的熔池，為激光-電弧復合焊焊接結構的應力和變形的預測提供有力的幫助。同時可推廣到激光-電弧復合焊流場和增材制造模擬的推廣。為了達到上面的一系列目的，本發(fā)明提出了一下的技術方案：一種基于精準能量分配的激光-電弧復合加工的能量分配系數(shù)模型的構建方法，通過分析激光-電弧復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理，在激光-電弧復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-電弧復合加工的熱源作用區(qū)域前端認定為激光熱源作用區(qū)域，而激光-電弧復合加工的熱源作用區(qū)域后端則認定為電弧熱源作用區(qū)域，由此得到激光-電弧復合加工的熱源復合模型，進而可得到激光-電弧復合加工中，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能量分配的激光-電弧復合加工的能量分配系數(shù)模型的構建方法，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確。2、使用計算機編程語言，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)與仿真軟件結構對接：3、將上步的程序腳本接入到仿真分析軟件，對數(shù)值分析模型進行求解計算，就能夠精確地得到激光-電弧復合加工的溫度場。4、上面所述的復合熱源模型是由雙橢球熱源和圓柱體熱源復合而成，這兩個熱源模型的復合不是簡單地疊加，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-電弧復合加工的熱源模型示意圖圖2為試樣結構尺寸示意圖圖3為案例一的激光-電弧復合加工熔池形貌模擬結果與實驗結果對比圖圖4為案例二的激光-電弧復合加工熔池形貌模擬結果與實驗結果對比圖圖5為案例三的激光-電弧復合加工熔池形貌模擬結果與實驗結果對比圖具體實施方式本發(fā)明將通過下面提供的詳細說明，但需要說明的是本發(fā)明是遠超于下面的例子：結合附圖1-3所述的一種基于精準能量分配的激光-電弧復合加工的能量分配系數(shù)模型的構建方法，根據(jù)激光-電弧復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。當將兩種熱源復合后加載到材料上，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)生的小孔效應而被壓縮，從而使電弧能量高度集中。因此，激光-電弧復合加工同時具有激光的深熔小孔效應和電弧的橢球形熔池形狀。換句話說，激光-電弧復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-電弧復合加工同時具有激光熱源的深熔小孔效應和電弧熱源的橢球形熔池形狀；同時，在激光-電弧復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、將兩種熱源模型復合一起建立復合熱源模型：在整個Z方向上，將激光-電弧復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，組合形成一種復合熱源型模，其公式：當0≤z≤h1，即復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h1≤z≤h1+h2，即復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：進一步，可得：六、進行二次開發(fā)，得到熱源模型的程序文本：使用計算機編程語言，將上面提出的熱源模型程序化，得到仿真分析的程序腳本，然后與仿真軟件結構對接：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)值分析模型進行求解計算，就能夠精確地得到激光-電弧復合加工的溫度場。上面所述的復合熱源模型是由雙橢球熱源和圓柱體熱源復合而成，這兩個熱源模型的復合不是簡單地疊加，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的合金鋼板進行切削加工，開30°的V型坡口，預留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行打磨，然后用丙酮對試樣進行清洗，最后用酒精對其進行擦拭。采用如表1所示的工藝參數(shù)進行焊接。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通過復合焊實驗，在熔池凝固后，得到激光-電弧復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行對比，如圖2所示。通過采用本發(fā)明的基于精準能量分配的激光-電弧復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的合金鋼板進行切削加工，開30°的V型坡口，預留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行打磨，然后用丙酮對試樣進行清洗，最后用酒精對其進行擦拭。采用如表1所示的工藝參數(shù)進行焊接。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通過復合焊實驗，在熔池凝固后，得到激光-電弧復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行對比，如圖2所示。通過采用本發(fā)明的基于精準能量分配的激光-電弧復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的合金鋼板進行切削加工，開30°的V型坡口，預留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行打磨，然后用丙酮對試樣進行清洗，最后用酒精對其進行擦拭。采用如表1所示的工藝參數(shù)進行焊接。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通過復合焊實驗，在熔池凝固后，得到激光-電弧復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行對比，如圖2所示。通過采用本發(fā)明的基于精準能量分配的激光-電弧復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確。3.本發(fā)明可以用于焊接和增材制造的數(shù)值模擬。當前第1頁1 2 3