一种摆动激光焊接等效热源建模方法及摆动激光焊接仿真方法与流程
1.本发明涉及一种摆动激光焊接等效热源建模方法及摆动激光焊接仿真方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术：
2.在焊接领域中，由于焊接工艺的摸索以及焊后变形预测都较为困难，因此也需引入计算仿真手段。通过数值模拟的方式研究焊接过程，从而指导焊接工艺，实现焊接变形及缺陷的有效控制。
3.摆动激接技术作为一种近年来新兴的焊接方法，其利用振镜技术实现光束运动从而改变热源能量分布，起到提高焊接质量的效果。但与此同时，摆动光束使得焊接过程更加复杂，其工艺窗口的获取以及变形预测等更为困难。仿真模拟技术则可以有效改善这一现象。
4.从原理上来讲，不论是面热源，还是体热源，亦或是兼具面热源和体热源的组合热源均可引用于摆动激光焊接仿真过程中，但应该指出，大多模型中为使其与实际焊接过程更为接近，通常需对热源模型进行修正，从而引入许多修正参数。这些修正参数的设置虽然提高了热源模型的精度，但并不适用于摆动激光焊接过程。摆动光束要求热源坐标随时间进行一定的运动，直接代入现有热源模型会大大增加模型计算时间，影响模拟效率；摆动轨迹的添加使得整个仿真过程变得更加冗杂，热源的校核以及模拟精度都会大打折扣。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种摆动激光焊接等效热源建模方法及摆动激光焊接仿真方法，解决现有技术中摆动激光焊接仿真时热源校核周期长、校核不准确的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述方法包括：
8.根据待建模实际激光焊接热源的热源参数，构建单位时间内实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率、摆动幅度和摆动速度下的能量分布云图；
9.在能量分布云图中，沿热源中心位置方向提取能量分布曲线；
10.在所述能量分布曲线上选取多个目标兴趣点，并确定各所述目标兴趣点的空间位置信息；
11.根据目标兴趣点的空间位置信息及所述能量分布曲线的特征，分别为各目标兴趣点构建对应的等效高斯热源模型，并根据实际激光焊接热源的能量分布确定所述高斯热源模型的热源功率及热源半径；
12.对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热
源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。
13.结合第一方面，进一步地，所述实际激光焊接热源包括圆柱体热源、圆锥体热源、双椭球热源、面热源中的任一种或多种组合。
14.结合第一方面，进一步地，所述目标兴趣点的空间位置信息包括能量分布云图中两个能量密度最大位置的位置点坐标和一个能量密度最小位置的位置点坐标。
15.结合第一方面，进一步地，所述热源参数包括热源功率、热源半径和热源中心位置。
16.结合第一方面，进一步地，对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证的方法包括：
17.构建所述高斯热源模型的能量分布云图，与实际激光焊接热源的能量分布云图对比，对比内容包括热源作用范围、能量密度最大位置的位置点坐标和能量密度最小位置的位置点坐标，获取云图验证吻合度；
18.将所述高斯热源模型代入焊接仿真模型，获取焊接过程热场分布，与实际焊缝横截面形貌对比，获取焊缝形貌验证吻合度；
19.仅当云图验证吻合度和焊缝形貌验证吻合度均大于设定吻合度阈值时，吻合度验证通过。
20.结合第一方面，进一步地，所述设定吻合度阈值为90％。
21.结合第一方面，进一步地，所述高斯热源模型根据下述表达式构建获取：
22.q
i+1
(x,y,z)＝a
i+1fi+1
(x,y,z)
23.式中，q
i+1
(x,y,z)表示第i个高斯热源模型的热流密度函数，x,y,z分别表示第i个高斯热源模型在空间坐标系下的坐标值，x轴表示焊接方向，y轴表示垂直于焊接方向，z轴表示焊接深度方向；a
i+1
表示第i个高斯热源模型的能量系数，f
i+1
(x,y,z)表示第i个高斯热源模型的形函数，h
i+1
表示第i个高斯热源模型的有效作用深度；ri表示第i个高斯热源模型的热源半径；η
i+1
表示第i个高斯热源模型的功率有效系数；p
i+1
表示第i个高斯热源模型的实际功率；r(z)表示第i个高斯热源模型的热流分布函数。
24.第二方面，本发明提供一种摆动激光焊接仿真方法，所述方法包括：
25.采用第一方面任一项所述的建模方法构建获取等效热源模型；
26.加载待焊接工件模型，采用构建获取的等效热源模型对待焊接工件模型进行仿真焊接，获取焊接仿真数据。
27.第三方面，本发明提供一种摆动激光焊接等效热源建模装置，包括：
28.能量分布云图构建模块：用于根据待建模实际激光焊接热源的热源参数，构建实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率和摆动幅度下的能量分布云图；
29.提取模块：用于在能量分布云图中，沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，并在所述能量分布曲线上选取多个目标兴趣点，确定各所述目标兴趣点的空间位置信息；
30.等效高斯热源模型构建模块：用于根据目标兴趣点的空间位置信息及所述能量分
布曲线的特征，分别为各目标兴趣点构建对应的等效高斯热源模型，并根据实际激光焊接热源的能量分布确定所述高斯热源模型的热源功率及热源半径；
31.验证模块：用于对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。
32.第四方面，本发明提供一种摆动激光焊接仿真装置，包括：
33.建模模块：用于采用第一方面任一项所述的建模方法构建获取等效热源模型；
34.焊接仿真模块：用于加载待焊接工件模型，采用构建获取的所述等效热源模型对待焊接工件模型进行仿真焊接，获取焊接仿真数据。
35.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
36.本发明实施例提供的摆动激光焊接等效热源建模方法，通过在能量分布云图中沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，获取多个目标兴趣点的空间位置信息，根据所述能量分布曲线的特征将多个所述空间位置信息进行耦合，构建等效高斯热源模型，将摆动激光焊接热源的能量分布转变为多个热源的空间能量的耦合，从而简化了计算过程，实现了不同摆动模式下激光焊接热源的高精度等效高斯热源模型的建立，等效高斯热源模型的参数无需多次调整即可达到阈值，极大地缩短了摆动激光焊接仿真时热源校核周期，进而提高了整个摆动激光焊接的仿真效率。
附图说明
37.图1是本发明实施例提供的一种摆动激光焊接等效热源建模方法的流程图。
38.图2是本发明实施例提供的根据实际激光焊接热源的热源参数构建的一种能量分布云图；
39.图3是基于图2所示的能量分布云图采用本发明实施例提供的摆动激光焊接等效热源建模方法构建的一种高斯热源模型的能量分布云图；
40.图4将本发明实施例构建获取的等效高斯热源模型代入焊接仿真后所获得的焊接热场分布与实际焊接焊缝横截面对比图。
具体实施方式
41.下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
42.实施例一：
43.需要说明的是，本实施例提供的摆动激光焊接等效热源建模方法可应用于终端，该终端应配置win7以上系统，32/64位操作系统，搭载c或labview或python等编译环境，安装有可调用数学工具，如：matlab、python、c等。本发明实施例提供的摆动激光焊接等效热源建模方法，实现了不同摆动模式下激光焊接热源的等效、高精度模型建立，等效热源参数无需多次调整即可达到阈值，极大的缩短了摆动激光焊接热源的校核周期，本方法可以应用于摆动激光焊接仿真中，进而提高整个焊接仿真模拟效率。
44.图1是本发明实施例一中的一种摆动激光焊接等效热源建模方法的流程图。本流程图仅仅示出了本实施例所述方法的逻辑顺序，在互不冲突的前提下，在本发明其它可能
的实施例中，可以以不同于图1所示的顺序完成所示出或描述的步骤。具体包括如下步骤：
45.步骤一：根据待建模实际激光焊接热源的热源参数，构建单位时间内实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率、摆动幅度及摆动速度下的能量分布云图；
46.所述实际激光焊接热源可以包括圆柱体热源、圆锥体热源、双椭球热源、面热源等中的任一种或多种组合，本发明实施例提供的建模方法可以采用两种不同的热源进行空间位置上的耦合，耦合数量不限，两个及以上均可。
47.在本发明实施例中，可以采用matlab/python等数学工具建立能量分布图，输入参数包括激光功率p、热源半径r、热源中心位置y。初始状态下，激光焊接热源实际不发生摆动，在聚焦平面上激光能量分布为一标准圆形光斑，聚焦时在x轴(焊接方向)和y轴方向上服从高斯正态分布。
48.如图2所示，是在激光功率6kw，热源半径0.6mm，圆形摆动轨迹(摆动幅度2mm，摆动频率40hz)条件下，获得的实际激光热源的能量分布云图，图中，左侧图为左视图，左视图中横纵坐标为垂直于焊接方向的空间位置，纵坐标为热源能量密度；右侧图为俯视图，右视图中横坐标为平行于焊接方向的空间位置，纵坐标为垂直于焊接方向的空间位置；图中颜较深的区域能量密度大，较浅的区域能量密度小，因焊接过程中激光束摆动，导致不同位置的能量密度分布不均匀，产生波峰波谷。
49.步骤二：在能量分布云图中，沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，在所述能量分布曲线上选取多个目标兴趣点，并确定各所述目标兴趣点的空间位置信息；
50.对于一幅能量分布云图而言，从热源中心位置提取的能量分布曲线只有一根，在该曲线上提取多个目标兴趣点的空间位置信息，每个空间位置信息可以构建一个高斯热源模型。本发明实施例中，所述目标兴趣点的空间位置信息包括能量分布云图中两个能量密度最大位置的位置点坐标和一个能量密度最小位置的位置点坐标。以图2为例，两个能量密度最大位置为图中两个波峰位置，能量密度最小位置为图中波谷位置。
51.步骤三：根据目标兴趣点的空间位置信息及所述能量分布曲线的特征，分别为各目标兴趣点构建对应的等效高斯热源模型，并根据实际激光焊接热源的能量分布确定所述高斯热源模型的热源功率及热源半径；
52.所述高斯热源模型根据下述表达式构建获取：
53.q
i+1
(x,y,z)＝a
i+1fi+1
(x,y,z)
54.式中，q
i+1
(x,y,z)表示第i个高斯热源模型的热流密度函数，x,y,z分别表示第i个高斯热源模型在空间坐标系下的坐标值，x轴表示焊接方向，y轴表示垂直于焊接方向，z轴表示焊接深度方向；a
i+1
表示第i个高斯热源模型的能量系数，f
i+1
(x,y,z)表示第i个高斯热源模型的形函数，h
i+1
表示第i个高斯热源模型的有效作用深度；ri表示第i个高斯热源模型的热源半径；η
i+1
表示第i个高斯热源模型的功率有效系数；p
i+1
表示第i个高斯热源模型的实际功率；r(z)表示第i个高斯热源模型的热流分布函数。i的数值可由拟合效果决定，例如：若采用两个高斯热源模型叠加替代实际激光焊接热源，其吻合度不满足设定阈值时，除调整高斯热源位置以外，还可通过改变i的数值进行调整。在某些实施例中，i的数值与所选取的目标兴趣点的数量相同，当拟合效果能
够达到预期效果时，i的数值可以少于目标兴趣点的数量。
55.步骤四：对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。
56.对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证的方法包括：
57.构建所述高斯热源模型的能量分布云图，与实际激光焊接热源的能量分布云图对比，对比内容包括热源作用范围、能量密度最大位置的位置点坐标和能量密度最小位置的位置点坐标，获取云图验证吻合度；
58.将所述高斯热源模型代入焊接仿真模型，获取焊接过程热场分布，与实际焊缝横截面形貌对比，获取焊缝形貌验证吻合度；
59.仅当云图验证吻合度和焊缝形貌验证吻合度均大于设定吻合度阈值时，吻合度验证通过。
60.在本发明实施例中吻合度阈值可以设定为90％。若验证时吻合度低于该设定阈值，则可以微调热源功率及热源半径，以保证能量分布吻合度。
61.参见图3，是基于图2所示的能量分布云图采用本发明实施例提供的摆动激光焊接等效热源建模方法构建的一种高斯热源模型的能量分布云图。对比图2、图3可知，采用本发明实施例提供的方法构建的等效热源模型能量分布与实际摆动激光焊接能量分布云图吻合度极高，仅在焊接起始端、结束端存在微弱差异，但对整个焊接过程仿真分析可忽略不计。
62.参见图4，是基于所建立的等效高斯热源模型获得的焊接热场分布与实际焊接焊缝横截面对比图，焊接形貌吻合度较高，证明该等效热源模型有效性。一般而言，当等效热源能量云图吻合度较高时，焊缝横截面验证也均可满足阈值要求。
63.综上，本发明实施例提供的摆动激光焊接等效热源建模方法，通过在能量分布云图中沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，获取多个目标兴趣点的空间位置信息，根据所述能量分布曲线的特征将多个所述空间位置信息进行耦合，构建等效高斯热源模型，将摆动激光焊接热源的能量分布转变为多个热源的空间能量的耦合，已知的摆动焊接热源随着时间的推进会进行周期性的摆动，不同时刻处于轨迹上的不同位置，因此，存在能量在时间维度上的分布信息，而等效替代热源相当于将这种时间分布改成了几个等效高斯热源的叠加，而等效高斯热源没有摆动轨迹，从而将能量在时间维度上的分布情况转变为多个能量在空间维度上的叠加，从而简化了计算过程，实现了不同摆动模式下激光焊接热源的高精度等效高斯热源模型的建立，等效高斯热源模型的参数无需多次调整即可达到阈值，极大地缩短了摆动激光焊接仿真时热源校核周期，进而提高了整个摆动激光焊接的仿真效率。
64.实施例二：
65.本发明实施例提供一种摆动激光焊接仿真方法，所述方法包括：
66.采用实施例一所述的建模方法构建获取等效高斯热源模型；
67.加载待焊接工件模型，采用构建获取的高斯热源模型对待焊接工件模型进行仿真焊接，获取焊接仿真数据。
68.本发明实施例所提供的摆动激光焊接仿真方法包括有如实施例一所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，具备执行方法相应的有益效果。未在本实施例中描述的相关技
术细节可以参见实施例一。由于采用实施例一所述的摆动激光焊接等效热源建模方法能够极大地缩短了摆动激光焊接仿真时热源校核周期，进而能够提高整个摆动激光焊接的仿真效率。
69.实施例三：
70.本发明实施例提供一种摆动激光焊接等效热源建模装置，包括：
71.能量分布云图构建模块：用于根据待建模实际激光焊接热源的热源参数，构建实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率和摆动幅度下的能量分布云图；
72.提取模块：用于在能量分布云图中，沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，并在所述能量分布曲线上选取多个目标兴趣点，确定各所述目标兴趣点的空间位置信息；
73.等效高斯热源模型构建模块：用于根据目标兴趣点的空间位置信息及所述能量分布曲线的特征，分别为各目标兴趣点构建对应的等效高斯热源模型，并根据实际激光焊接热源的能量分布确定所述高斯热源模型的热源功率及热源半径；
74.验证模块：用于对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。
75.本发明实施例所提供的摆动激光焊接等效热源建模装置可执行本发明实施例一所提供的摆动激光焊接等效热源建模方法，具备执行方法相应的有益效果。未在本实施例中描述的相关技术细节，可以参见实施例一，在此不做赘述。
76.实施例四：
77.本发明实施例提供一种摆动激光焊接仿真装置，包括：
78.建模模块：用于采用实施例一所述的建模方法构建获取等效热源模型；
79.焊接仿真模块：用于加载待焊接工件模型，采用构建获取的所述等效热源模型对待焊接工件模型进行仿真焊接，获取焊接仿真数据。
80.本发明实施例所提供的摆动激光焊接仿真装置可执行本发明实施例二所提供的摆动激光焊接仿真方法，具备执行方法相应的有益效果。未在本实施例中描述的相关技术细节，可以参见实施例二，在此不做赘述。
81.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述方法包括：根据待建模实际激光焊接热源的热源参数，构建单位时间内实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率、摆动幅度和摆动速度下的能量分布云图；在能量分布云图中，沿热源中心位置方向提取能量分布曲线；在所述能量分布曲线上选取多个目标兴趣点，并确定各所述目标兴趣点的空间位置信息；根据目标兴趣点的空间位置信息及所述能量分布曲线的特征，分别为各目标兴趣点构建对应的等效高斯热源模型，并根据实际激光焊接热源的能量分布确定所述高斯热源模型的热源功率及热源半径；对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。2.根据权利要求1所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述实际激光焊接热源包括圆柱体热源、圆锥体热源、双椭球热源、面热源中的任一种或多种组合。3.根据权利要求1所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述目标兴趣点的空间位置信息包括能量分布云图中两个能量密度最大位置的位置点坐标和一个能量密度最小位置的位置点坐标。4.根据权利要求1所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述热源参数包括热源功率、热源半径和热源中心位置。5.根据权利要求1所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证的方法包括：构建所述高斯热源模型的能量分布云图，与实际激光焊接热源的能量分布云图对比，对比内容包括热源作用范围、能量密度最大位置的位置点坐标和能量密度最小位置的位置点坐标，获取云图验证吻合度；将所述高斯热源模型代入焊接仿真模型，获取焊接过程热场分布，与实际焊缝横截面形貌对比，获取焊缝形貌验证吻合度；仅当云图验证吻合度和焊缝形貌验证吻合度均大于设定吻合度阈值时，吻合度验证通过。6.根据权利要求5所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述设定吻合度阈值为90％。7.根据权利要求1所述的摆动激光焊接等效热源建模方法，其特征在于，所述高斯热源模型根据下述表达式构建获取：q
i+1
(x,y,z)＝a i+1
f
i+1
(x,y,z)式中，q
i+1
(x,y,z)表示第i个高斯热源模型的热流密度函数，x,y,z分别表示第i个高斯热源模型在空间坐标系下的坐标值，x轴表示焊接方向，y轴表示垂直于焊接方向，z轴表示焊接深度方向；a
i+1
表示第i个高斯热源模型的能量系数，f i+1
(x,y,z)表示第i个高斯热源模型的形函数，h i+1
表示第i个高斯热源模型的
有效作用深度；r i
表示第i个高斯热源模型的热源半径；η
i+1
表示第i个高斯热源模型的功率有效系数；p
i+1
表示第i个高斯热源模型的实际功率；r(z)表示第i个高斯热源模型的热流分布函数。8.一种摆动激光焊接仿真方法，其特征在于，所述方法包括：采用权利要求1至7任一项所述的建模方法构建获取等效热源模型；加载待焊接工件模型，采用构建获取的等效热源模型对待焊接工件模型进行仿真焊接，获取焊接仿真数据。9.一种摆动激光焊接等效热源建模装置，其特征在于，包括：能量分布云图构建模块：用于根据待建模实际激光焊接热源的热源参数，构建实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率和摆动幅度下的能量分布云图；提取模块：用于在能量分布云图中，沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，并在所述能量分布曲线上选取多个目标兴趣点，确定各所述目标兴趣点的空间位置信息；等效高斯热源模型构建模块：用于根据目标兴趣点的空间位置信息及所述能量分布曲线的特征，分别为各目标兴趣点构建对应的等效高斯热源模型，并根据实际激光焊接热源的能量分布确定所述高斯热源模型的热源功率及热源半径；验证模块：用于对所述高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。10.一种摆动激光焊接仿真装置，其特征在于，包括：建模模块：用于采用权利要求1至7任一项所述的建模方法构建获取等效热源模型；焊接仿真模块：用于加载待焊接工件模型，采用构建获取的所述等效热源模型对待焊接工件模型进行仿真焊接，获取焊接仿真数据。
技术总结
本发明公开了一种摆动激光焊接等效热源建模方法，包括：构建实际激光焊接热源在不同摆动轨迹、摆动频率和摆动幅度下的能量分布云图；沿热源中心位置方向提取能量分布曲线，获取多个目标兴趣点的空间位置信息；针对每个目标兴趣点分别构建等效高斯热源模型；对高斯热源模型与实际激光焊接热源进行吻合度验证，将验证通过的高斯热源模型作为实际激光焊接热源的等效热源模型。本发明还提供一种摆动激光焊接仿真方法，采用前述的建模方法构建等效热源模型，并基于等效热源模型进行焊接仿真。本发明能够极大地缩短摆动激光焊接仿真时热源校核周期，提高整个摆动激光焊接的仿真效率。提高整个摆动激光焊接的仿真效率。提高整个摆动激光焊接的仿真效率。
