一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺

【技术实现步骤摘要】
一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺


[0001]本专利技术涉及一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺
。

技术介绍

[0002]激光填丝焊接是一种先进的焊接技术，它结合了激光焊接和金属增材制造
(AM)
的特点，激光焊接在工业生产中充分发挥了其先进
、
快速
、
灵活的加工特点，可以用于高精度
、
高效率的金属零部件制造和修复，它既是工业新产品开发的技术保证，又是高质量
、
低成本生产不可或缺的技术手段
。
在这种工艺中，激光束被用来加热工件表面，而金属线材则被熔化并添加到焊缝区域，逐层堆积形成复杂的三维结构
。
激光填丝焊接工艺因其在制造
、
维修和定制制造方面的潜在优势，正受到越来越多的关注和研究
。
而激光填丝焊接工艺仿真研究正致力于优化工艺参数
、
理解焊接过程中的物理现象
、
预测焊接质量和缺陷，实现高质量
、
高效率的金属零部件制造和维修，从而优化设备结构和工艺设计，提高产品焊接质量和品质
。
随着技术的不断发展，这一领域的研究将继续推动激光填丝焊接工艺的创新和应用
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，基于
COMSOLMultiphysics
多物理场进行激光填丝焊接工艺仿真，提供了一种使用
Aluminum 6063
‑
T83
材料建模
、
求解以及分析的方法，旨在利用正确有效的手段获得仿真模型，并利用该仿真模型获得焊缝处及周围的温度场
、
应力场
、
流场及相变情况，以此来指导以
Aluminum 6063
‑
T83
为材料的车载电池包箱体端侧板焊接生产过程，缩短了实践检验所需的成本与时间
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，包括基于
COMSOLMultiphysics
多物理场的激光填丝焊接工艺仿真及其建模方法，考虑模型的流体传热
、
层流情况
、
固体力学及其中焊丝的“活化”、
多物理场的热膨胀以及马兰戈尼效应等耦合要素，具体包括如下步骤：
[0005]S1、
进行包括激光参数
、
焊接工艺参数
、
换热参数及材料熔化温度的基本参数的设置；
[0006]S2、
选用材料，采用固态
Aluminum 6063
‑
T83、
液态
Aluminum 6063
‑
T83、
焊丝
5183
；
[0007]S3、
建立几何模型；
[0008]S4、
定义高斯体形激光热源的移动方向及速度；
[0009]S5、
进行物理场的设置，具体包括流体传热
、
固体力学
、
层流及多物理场耦合的热膨胀
、
马兰戈尼效应；
[0010]S6、
进行网格划分并添加瞬态研究进行求解；
[0011]S7、
进行结果分析
。
[0012]在本专利技术一实施例中，所述步骤
S1
具体为：
[0013]S1.1、
激光参数及焊接工艺参数设置包括：
P_laser
＝
5600W
激光功率
、v_w
＝
0.06m/s
焊接速度
、D
＝
0.002m
入射激光直径等，其中
P_laser
为激光功率
、v_w
为焊接速度
、D
为入射激光直径等；
[0014]S1.2、
换热参数及材料熔化温度包括：
T_amb
＝
298K、A
＝
0.8、h1
＝
10W/(m2·
K)、emi
＝
0.7、Tm
＝
933K、Lm
＝
3.75E5 J/kg、dT
＝
120K、Ts
＝
853K、Tl
＝
973K
，其中
T_amb
为环境温度
、A
为激光能量吸收率
、h1
为传热系数
、emi
为辐射换热系数
、Tm
为材料的熔化温度
、Lm
为材料的熔化潜热
、dT
为材料固液项间过渡区间温度
、Ts
为材料的固相温度
、Tl
为材料的液相温度等
。
[0015]在本专利技术一实施例中，所述步骤
S2
具体为：
[0016]选用固态
Aluminum 6063
‑
T83、
液态
Aluminum 6063
‑
T83、
焊丝
5183
，模型所需基本参数有：
rho
密度
、Cp
恒压热容
、k_iso
导热系数
、alpha_iso
热膨胀系数
、E
杨氏模量
、nu
泊松比
、mu(T)
动力粘度等具体见表1，动力粘度
mu(T)
随温度变化较大，因此需要定义函数形式进行表达：
[0017][0018]另外，焊丝的材料属性随着激光光路的路径被逐步激活，这是通过固体力学模块中线弹性材料设置的活化操作进行设置的，未激活的部分先拟将材料属性乘
1e
‑5，通过此“活化”操作模拟实现填丝焊接的填丝过程
。
[0019]表
1.
所用材料基本属性
[0020][0021][0022]在本专利技术一实施例中，所述的
S3
具体为：
[0023]根据端侧板数模按1：1重新建立端侧板模型，并添加焊丝填充材料预定位置，同时
运用分割对象操作将模型分解成由焊缝向外的多个域以用于之后的网格划分以用于之后使划分网格更加合理，重建后的端侧板模型见图
1。
[0024]在本专利技术一实施例中，所述步骤
S4
具体为：
[0025]S4.1、
根据设置的参数计算入射激光能量密度：
[0026]S4.2、
定义激光热源的高斯分布：
o
‑
xyz
为坐标系，其中...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，其特征在于，基于
COMSOLMultiphysic
多物理场实现，焊接件的模型以车载电池包箱体的端侧板为研究对象，具体包括如下步骤：
S1、
进行包括激光参数
、
焊接工艺参数
、
换热参数及材料熔化温度的基本参数的设置；
S2、
选用材料，采用固态
Aluminum6063
‑
T83、
液态
Aluminum6063
‑
T83、
焊丝
5183
；
S3、
建立几何模型；
S4、
定义高斯体形激光热源的移动方向及速度；
S5、
进行物理场的设置，具体包括流体传热
、
固体力学
、
层流及多物理场耦合的热膨胀
、
马兰戈尼效应；
S6、
进行网格划分并添加瞬态研究进行求解；
S7、
进行结果分析
。2.
根据权利要求1所述的一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，其特征在于，所述步骤
S1
具体为：
S1.1、
激光参数及焊接工艺参数设置包括：
P_laser
＝
5600W
激光功率
、v_w
＝
0.06m/s
焊接速度
、D
＝
0.002m
入射激光直径，其中
P_laser
为激光功率
、v_w
为焊接速度
、D
为入射激光直径；
S1.2、
换热参数及材料熔化温度包括：
T_amb
＝
298K、A
＝
0.8、h1
＝
10W/(m2
·
K)、emi
＝
0.7、Tm
＝
933K、Lm
＝
3.75E5J/kg、dT
＝
120K、Ts
＝
853K、Tl
＝
973K
，其中
T_amb
为环境温度
、A
为激光能量吸收率
、h1
为传热系数
、emi
为辐射换热系数
、Tm
为材料的熔化温度
、Lm
为材料的熔化潜热
、dT
为材料固液项间过渡区间温度
、Ts
为材料的固相温度
、Tl
为材料的液相温度
。3.
根据权利要求2所述的一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，其特征在于，所述步骤
S2
具体为：选用固态
Aluminum6063
‑
T83、
液态
Aluminum6063
‑
T83、
焊丝
5183
，模型所需基本参数有：
rho
密度
、Cp
恒压热容
、k_iso
导热系数
、alpha_iso
热膨胀系数
、E
杨氏模量
、nu
泊松比
、mu(T)
动力粘度，动力粘度
mu(T)
随温度变化较大，因此需要定义函数形式进行表达：另外，焊丝的材料属性随着激光光路的路径被逐步激活，这是通过固体力学模块中线弹性材料设置的活化操作进行设置的，未激活的部分先拟将材料属性乘
1e
‑5，通过此“活化”操作模拟实现填丝焊接的填丝过程
。4.
根据权利要求1所述的一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，其特征在于，所述的
S3
具体为：根据端侧板数模按1：1重新建立端侧板模型，并添加焊丝填充材料预定位置，同时运用分割对象操作将模型分解成由焊缝向外的多个域以用于之后的网格划分
。5.
根据权利要求2所述的一种新型的激光填丝焊接数字孪生工艺，其特征在于，所述步骤
S4
具体为：
S4.1、
根据设置的参数计算入射激光能量密度：
S4.2、
定义激光热源的高斯分布：其中
xz
表面为激光加热的表面且激光热源沿着
z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙浩，周志衡，姚立纲，崔世龙，陈扬鑫，潘轶涵，谢滔，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：