一種擺動激光焊接等效熱源建模方法及擺動激光焊接仿真方法與流程
1.本發明涉及一種擺動激光焊接等效熱源建模方法及擺動激光焊接仿真方法，屬于激光焊接技術領域。
背景技術：
2.在焊接領域中，由于焊接工藝的摸索以及焊后變形預測都較為困難，因此也需引入計算仿真手段。通過數值模擬的方式研究焊接過程，從而指導焊接工藝，實現焊接變形及缺陷的有效控制。
3.擺動激接技術作為一種近年來新興的焊接方法，其利用振鏡技術實現光束運動從而改變熱源能量分布，起到提高焊接質量的效果。但與此同時，擺動光束使得焊接過程更加復雜，其工藝窗口的獲取以及變形預測等更為困難。仿真模擬技術則可以有效改善這一現象。
4.從原理上來講，不論是面熱源，還是體熱源，亦或是兼具面熱源和體熱源的組合熱源均可引用于擺動激光焊接仿真過程中，但應該指出，大多模型中為使其與實際焊接過程更為接近，通常需對熱源模型進行修正，從而引入許多修正參數。這些修正參數的設置雖然提高了熱源模型的精度，但并不適用于擺動激光焊接過程。擺動光束要求熱源坐標隨時間進行一定的運動，直接代入現有熱源模型會大大增加模型計算時間，影響模擬效率；擺動軌跡的添加使得整個仿真過程變得更加冗雜，熱源的校核以及模擬精度都會大打折扣。
技術實現要素：
5.本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種擺動激光焊接等效熱源建模方法及擺動激光焊接仿真方法，解決現有技術中擺動激光焊接仿真時熱源校核周期長、校核不準確的技術問題。
6.為達到上述目的，本發明是采用下述技術方案實現的：
7.第一方面，本發明提供了一種擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述方法包括：
8.根據待建模實際激光焊接熱源的熱源參數，構建單位時間內實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率、擺動幅度和擺動速度下的能量分布云圖；
9.在能量分布云圖中，沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線；
10.在所述能量分布曲線上選取多個目標興趣點，并確定各所述目標興趣點的空間位置信息；
11.根據目標興趣點的空間位置信息及所述能量分布曲線的特征，分別為各目標興趣點構建對應的等效高斯熱源模型，并根據實際激光焊接熱源的能量分布確定所述高斯熱源模型的熱源功率及熱源半徑；
12.對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱
源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。
13.結合第一方面，進一步地，所述實際激光焊接熱源包括圓柱體熱源、圓錐體熱源、雙橢球熱源、面熱源中的任一種或多種組合。
14.結合第一方面，進一步地，所述目標興趣點的空間位置信息包括能量分布云圖中兩個能量密度最大位置的位置點坐標和一個能量密度最小位置的位置點坐標。
15.結合第一方面，進一步地，所述熱源參數包括熱源功率、熱源半徑和熱源中心位置。
16.結合第一方面，進一步地，對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證的方法包括：
17.構建所述高斯熱源模型的能量分布云圖，與實際激光焊接熱源的能量分布云圖對比，對比內容包括熱源作用范圍、能量密度最大位置的位置點坐標和能量密度最小位置的位置點坐標，獲取云圖驗證吻合度；
18.將所述高斯熱源模型代入焊接仿真模型，獲取焊接過程熱場分布，與實際焊縫橫截面形貌對比，獲取焊縫形貌驗證吻合度；
19.僅當云圖驗證吻合度和焊縫形貌驗證吻合度均大于設定吻合度閾值時，吻合度驗證通過。
20.結合第一方面，進一步地，所述設定吻合度閾值為90％。
21.結合第一方面，進一步地，所述高斯熱源模型根據下述表達式構建獲取：
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個高斯熱源模型的熱流密度函數，x,y,z分別表示第i個高斯熱源模型在空間坐標系下的坐標值，x軸表示焊接方向，y軸表示垂直于焊接方向，z軸表示焊接深度方向；a
i+1
表示第i個高斯熱源模型的能量系數，f
i+1
(x,y,z)表示第i個高斯熱源模型的形函數，h
i+1
表示第i個高斯熱源模型的有效作用深度；ri表示第i個高斯熱源模型的熱源半徑；η
i+1
表示第i個高斯熱源模型的功率有效系數；p
i+1
表示第i個高斯熱源模型的實際功率；r(z)表示第i個高斯熱源模型的熱流分布函數。
24.第二方面，本發明提供一種擺動激光焊接仿真方法，所述方法包括：
25.采用第一方面任一項所述的建模方法構建獲取等效熱源模型；
26.加載待焊接工件模型，采用構建獲取的等效熱源模型對待焊接工件模型進行仿真焊接，獲取焊接仿真數據。
27.第三方面，本發明提供一種擺動激光焊接等效熱源建模裝置，包括：
28.能量分布云圖構建模塊：用于根據待建模實際激光焊接熱源的熱源參數，構建實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率和擺動幅度下的能量分布云圖；
29.提取模塊：用于在能量分布云圖中，沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，并在所述能量分布曲線上選取多個目標興趣點，確定各所述目標興趣點的空間位置信息；
30.等效高斯熱源模型構建模塊：用于根據目標興趣點的空間位置信息及所述能量分
布曲線的特征，分別為各目標興趣點構建對應的等效高斯熱源模型，并根據實際激光焊接熱源的能量分布確定所述高斯熱源模型的熱源功率及熱源半徑；
31.驗證模塊：用于對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。
32.第四方面，本發明提供一種擺動激光焊接仿真裝置，包括：
33.建模模塊：用于采用第一方面任一項所述的建模方法構建獲取等效熱源模型；
34.焊接仿真模塊：用于加載待焊接工件模型，采用構建獲取的所述等效熱源模型對待焊接工件模型進行仿真焊接，獲取焊接仿真數據。
35.與現有技術相比，本發明所達到的有益效果：
36.本發明實施例提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法，通過在能量分布云圖中沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，獲取多個目標興趣點的空間位置信息，根據所述能量分布曲線的特征將多個所述空間位置信息進行耦合，構建等效高斯熱源模型，將擺動激光焊接熱源的能量分布轉變為多個熱源的空間能量的耦合，從而簡化了計算過程，實現了不同擺動模式下激光焊接熱源的高精度等效高斯熱源模型的建立，等效高斯熱源模型的參數無需多次調整即可達到閾值，極大地縮短了擺動激光焊接仿真時熱源校核周期，進而提高了整個擺動激光焊接的仿真效率。
附圖說明
37.圖1是本發明實施例提供的一種擺動激光焊接等效熱源建模方法的流程圖。
38.圖2是本發明實施例提供的根據實際激光焊接熱源的熱源參數構建的一種能量分布云圖；
39.圖3是基于圖2所示的能量分布云圖采用本發明實施例提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法構建的一種高斯熱源模型的能量分布云圖；
40.圖4將本發明實施例構建獲取的等效高斯熱源模型代入焊接仿真后所獲得的焊接熱場分布與實際焊接焊縫橫截面對比圖。
具體實施方式
41.下面通過附圖以及具體實施例對本發明技術方案做詳細的說明，應當理解本技術實施例以及實施例中的具體特征是對本技術技術方案的詳細的說明，而不是對本技術技術方案的限定，在不沖突的情況下，本技術實施例以及實施例中的技術特征可以相互組合。
42.實施例一：
43.需要說明的是，本實施例提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法可應用于終端，該終端應配置win7以上系統，32/64位操作系統，搭載c或labview或python等編譯環境，安裝有可調用數學工具，如：matlab、python、c等。本發明實施例提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法，實現了不同擺動模式下激光焊接熱源的等效、高精度模型建立，等效熱源參數無需多次調整即可達到閾值，極大的縮短了擺動激光焊接熱源的校核周期，本方法可以應用于擺動激光焊接仿真中，進而提高整個焊接仿真模擬效率。
44.圖1是本發明實施例一中的一種擺動激光焊接等效熱源建模方法的流程圖。本流程圖僅僅示出了本實施例所述方法的邏輯順序，在互不沖突的前提下，在本發明其它可能
的實施例中，可以以不同于圖1所示的順序完成所示出或描述的步驟。具體包括如下步驟：
45.步驟一：根據待建模實際激光焊接熱源的熱源參數，構建單位時間內實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率、擺動幅度及擺動速度下的能量分布云圖；
46.所述實際激光焊接熱源可以包括圓柱體熱源、圓錐體熱源、雙橢球熱源、面熱源等中的任一種或多種組合，本發明實施例提供的建模方法可以采用兩種不同的熱源進行空間位置上的耦合，耦合數量不限，兩個及以上均可。
47.在本發明實施例中，可以采用matlab/python等數學工具建立能量分布圖，輸入參數包括激光功率p、熱源半徑r、熱源中心位置y。初始狀態下，激光焊接熱源實際不發生擺動，在聚焦平面上激光能量分布為一標準圓形光斑，聚焦時在x軸(焊接方向)和y軸方向上服從高斯正態分布。
48.如圖2所示，是在激光功率6kw，熱源半徑0.6mm，圓形擺動軌跡(擺動幅度2mm，擺動頻率40hz)條件下，獲得的實際激光熱源的能量分布云圖，圖中，左側圖為左視圖，左視圖中橫縱坐標為垂直于焊接方向的空間位置，縱坐標為熱源能量密度；右側圖為俯視圖，右視圖中橫坐標為平行于焊接方向的空間位置，縱坐標為垂直于焊接方向的空間位置；圖中顏較深的區域能量密度大，較淺的區域能量密度小，因焊接過程中激光束擺動，導致不同位置的能量密度分布不均勻，產生波峰波谷。
49.步驟二：在能量分布云圖中，沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，在所述能量分布曲線上選取多個目標興趣點，并確定各所述目標興趣點的空間位置信息；
50.對于一幅能量分布云圖而言，從熱源中心位置提取的能量分布曲線只有一根，在該曲線上提取多個目標興趣點的空間位置信息，每個空間位置信息可以構建一個高斯熱源模型。本發明實施例中，所述目標興趣點的空間位置信息包括能量分布云圖中兩個能量密度最大位置的位置點坐標和一個能量密度最小位置的位置點坐標。以圖2為例，兩個能量密度最大位置為圖中兩個波峰位置，能量密度最小位置為圖中波谷位置。
51.步驟三：根據目標興趣點的空間位置信息及所述能量分布曲線的特征，分別為各目標興趣點構建對應的等效高斯熱源模型，并根據實際激光焊接熱源的能量分布確定所述高斯熱源模型的熱源功率及熱源半徑；
52.所述高斯熱源模型根據下述表達式構建獲取：
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個高斯熱源模型的熱流密度函數，x,y,z分別表示第i個高斯熱源模型在空間坐標系下的坐標值，x軸表示焊接方向，y軸表示垂直于焊接方向，z軸表示焊接深度方向；a
i+1
表示第i個高斯熱源模型的能量系數，f
i+1
(x,y,z)表示第i個高斯熱源模型的形函數，h
i+1
表示第i個高斯熱源模型的有效作用深度；ri表示第i個高斯熱源模型的熱源半徑；η
i+1
表示第i個高斯熱源模型的功率有效系數；p
i+1
表示第i個高斯熱源模型的實際功率；r(z)表示第i個高斯熱源模型的熱流分布函數。i的數值可由擬合效果決定，例如：若采用兩個高斯熱源模型疊加替代實際激光焊接熱源，其吻合度不滿足設定閾值時，除調整高斯熱源位置以外，還可通過改變i的數值進行調整。在某些實施例中，i的數值與所選取的目標興趣點的數量相同，當擬合效果能
夠達到預期效果時，i的數值可以少于目標興趣點的數量。
55.步驟四：對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。
56.對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證的方法包括：
57.構建所述高斯熱源模型的能量分布云圖，與實際激光焊接熱源的能量分布云圖對比，對比內容包括熱源作用范圍、能量密度最大位置的位置點坐標和能量密度最小位置的位置點坐標，獲取云圖驗證吻合度；
58.將所述高斯熱源模型代入焊接仿真模型，獲取焊接過程熱場分布，與實際焊縫橫截面形貌對比，獲取焊縫形貌驗證吻合度；
59.僅當云圖驗證吻合度和焊縫形貌驗證吻合度均大于設定吻合度閾值時，吻合度驗證通過。
60.在本發明實施例中吻合度閾值可以設定為90％。若驗證時吻合度低于該設定閾值，則可以微調熱源功率及熱源半徑，以保證能量分布吻合度。
61.參見圖3，是基于圖2所示的能量分布云圖采用本發明實施例提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法構建的一種高斯熱源模型的能量分布云圖。對比圖2、圖3可知，采用本發明實施例提供的方法構建的等效熱源模型能量分布與實際擺動激光焊接能量分布云圖吻合度極高，僅在焊接起始端、結束端存在微弱差異，但對整個焊接過程仿真分析可忽略不計。
62.參見圖4，是基于所建立的等效高斯熱源模型獲得的焊接熱場分布與實際焊接焊縫橫截面對比圖，焊接形貌吻合度較高，證明該等效熱源模型有效性。一般而言，當等效熱源能量云圖吻合度較高時，焊縫橫截面驗證也均可滿足閾值要求。
63.綜上，本發明實施例提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法，通過在能量分布云圖中沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，獲取多個目標興趣點的空間位置信息，根據所述能量分布曲線的特征將多個所述空間位置信息進行耦合，構建等效高斯熱源模型，將擺動激光焊接熱源的能量分布轉變為多個熱源的空間能量的耦合，已知的擺動焊接熱源隨著時間的推進會進行周期性的擺動，不同時刻處于軌跡上的不同位置，因此，存在能量在時間維度上的分布信息，而等效替代熱源相當于將這種時間分布改成了幾個等效高斯熱源的疊加，而等效高斯熱源沒有擺動軌跡，從而將能量在時間維度上的分布情況轉變為多個能量在空間維度上的疊加，從而簡化了計算過程，實現了不同擺動模式下激光焊接熱源的高精度等效高斯熱源模型的建立，等效高斯熱源模型的參數無需多次調整即可達到閾值，極大地縮短了擺動激光焊接仿真時熱源校核周期，進而提高了整個擺動激光焊接的仿真效率。
64.實施例二：
65.本發明實施例提供一種擺動激光焊接仿真方法，所述方法包括：
66.采用實施例一所述的建模方法構建獲取等效高斯熱源模型；
67.加載待焊接工件模型，采用構建獲取的高斯熱源模型對待焊接工件模型進行仿真焊接，獲取焊接仿真數據。
68.本發明實施例所提供的擺動激光焊接仿真方法包括有如實施例一所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，具備執行方法相應的有益效果。未在本實施例中描述的相關技
術細節可以參見實施例一。由于采用實施例一所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法能夠極大地縮短了擺動激光焊接仿真時熱源校核周期，進而能夠提高整個擺動激光焊接的仿真效率。
69.實施例三：
70.本發明實施例提供一種擺動激光焊接等效熱源建模裝置，包括：
71.能量分布云圖構建模塊：用于根據待建模實際激光焊接熱源的熱源參數，構建實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率和擺動幅度下的能量分布云圖；
72.提取模塊：用于在能量分布云圖中，沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，并在所述能量分布曲線上選取多個目標興趣點，確定各所述目標興趣點的空間位置信息；
73.等效高斯熱源模型構建模塊：用于根據目標興趣點的空間位置信息及所述能量分布曲線的特征，分別為各目標興趣點構建對應的等效高斯熱源模型，并根據實際激光焊接熱源的能量分布確定所述高斯熱源模型的熱源功率及熱源半徑；
74.驗證模塊：用于對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。
75.本發明實施例所提供的擺動激光焊接等效熱源建模裝置可執行本發明實施例一所提供的擺動激光焊接等效熱源建模方法，具備執行方法相應的有益效果。未在本實施例中描述的相關技術細節，可以參見實施例一，在此不做贅述。
76.實施例四：
77.本發明實施例提供一種擺動激光焊接仿真裝置，包括：
78.建模模塊：用于采用實施例一所述的建模方法構建獲取等效熱源模型；
79.焊接仿真模塊：用于加載待焊接工件模型，采用構建獲取的所述等效熱源模型對待焊接工件模型進行仿真焊接，獲取焊接仿真數據。
80.本發明實施例所提供的擺動激光焊接仿真裝置可執行本發明實施例二所提供的擺動激光焊接仿真方法，具備執行方法相應的有益效果。未在本實施例中描述的相關技術細節，可以參見實施例二，在此不做贅述。
81.以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
技術特征：
1.一種擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述方法包括：根據待建模實際激光焊接熱源的熱源參數，構建單位時間內實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率、擺動幅度和擺動速度下的能量分布云圖；在能量分布云圖中，沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線；在所述能量分布曲線上選取多個目標興趣點，并確定各所述目標興趣點的空間位置信息；根據目標興趣點的空間位置信息及所述能量分布曲線的特征，分別為各目標興趣點構建對應的等效高斯熱源模型，并根據實際激光焊接熱源的能量分布確定所述高斯熱源模型的熱源功率及熱源半徑；對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。2.根據權利要求1所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述實際激光焊接熱源包括圓柱體熱源、圓錐體熱源、雙橢球熱源、面熱源中的任一種或多種組合。3.根據權利要求1所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述目標興趣點的空間位置信息包括能量分布云圖中兩個能量密度最大位置的位置點坐標和一個能量密度最小位置的位置點坐標。4.根據權利要求1所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述熱源參數包括熱源功率、熱源半徑和熱源中心位置。5.根據權利要求1所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證的方法包括：構建所述高斯熱源模型的能量分布云圖，與實際激光焊接熱源的能量分布云圖對比，對比內容包括熱源作用范圍、能量密度最大位置的位置點坐標和能量密度最小位置的位置點坐標，獲取云圖驗證吻合度；將所述高斯熱源模型代入焊接仿真模型，獲取焊接過程熱場分布，與實際焊縫橫截面形貌對比，獲取焊縫形貌驗證吻合度；僅當云圖驗證吻合度和焊縫形貌驗證吻合度均大于設定吻合度閾值時，吻合度驗證通過。6.根據權利要求5所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述設定吻合度閾值為90％。7.根據權利要求1所述的擺動激光焊接等效熱源建模方法，其特征在于，所述高斯熱源模型根據下述表達式構建獲取：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個高斯熱源模型的熱流密度函數，x,y,z分別表示第i個高斯熱源模型在空間坐標系下的坐標值，x軸表示焊接方向，y軸表示垂直于焊接方向，z軸表示焊接深度方向；a
i+1
表示第i個高斯熱源模型的能量系數，f i+1
(x,y,z)表示第i個高斯熱源模型的形函數，h i+1
表示第i個高斯熱源模型的
有效作用深度；r i
表示第i個高斯熱源模型的熱源半徑；η
i+1
表示第i個高斯熱源模型的功率有效系數；p
i+1
表示第i個高斯熱源模型的實際功率；r(z)表示第i個高斯熱源模型的熱流分布函數。8.一種擺動激光焊接仿真方法，其特征在于，所述方法包括：采用權利要求1至7任一項所述的建模方法構建獲取等效熱源模型；加載待焊接工件模型，采用構建獲取的等效熱源模型對待焊接工件模型進行仿真焊接，獲取焊接仿真數據。9.一種擺動激光焊接等效熱源建模裝置，其特征在于，包括：能量分布云圖構建模塊：用于根據待建模實際激光焊接熱源的熱源參數，構建實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率和擺動幅度下的能量分布云圖；提取模塊：用于在能量分布云圖中，沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，并在所述能量分布曲線上選取多個目標興趣點，確定各所述目標興趣點的空間位置信息；等效高斯熱源模型構建模塊：用于根據目標興趣點的空間位置信息及所述能量分布曲線的特征，分別為各目標興趣點構建對應的等效高斯熱源模型，并根據實際激光焊接熱源的能量分布確定所述高斯熱源模型的熱源功率及熱源半徑；驗證模塊：用于對所述高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。10.一種擺動激光焊接仿真裝置，其特征在于，包括：建模模塊：用于采用權利要求1至7任一項所述的建模方法構建獲取等效熱源模型；焊接仿真模塊：用于加載待焊接工件模型，采用構建獲取的所述等效熱源模型對待焊接工件模型進行仿真焊接，獲取焊接仿真數據。
技術總結
本發明公開了一種擺動激光焊接等效熱源建模方法，包括：構建實際激光焊接熱源在不同擺動軌跡、擺動頻率和擺動幅度下的能量分布云圖；沿熱源中心位置方向提取能量分布曲線，獲取多個目標興趣點的空間位置信息；針對每個目標興趣點分別構建等效高斯熱源模型；對高斯熱源模型與實際激光焊接熱源進行吻合度驗證，將驗證通過的高斯熱源模型作為實際激光焊接熱源的等效熱源模型。本發明還提供一種擺動激光焊接仿真方法，采用前述的建模方法構建等效熱源模型，并基于等效熱源模型進行焊接仿真。本發明能夠極大地縮短擺動激光焊接仿真時熱源校核周期，提高整個擺動激光焊接的仿真效率。提高整個擺動激光焊接的仿真效率。提高整個擺動激光焊接的仿真效率。
