本發(fā)明屬于激光焊接與加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于comsol溫度模型模擬計算激光加工與焊接過程中溫度場的方法。

背景技術(shù)：

隨著科技不斷地進步，也推動著材料產(chǎn)業(yè)的進步，對材料的要求越來越趨于精細化、輕量化以及多功能化。將兩種或兩種以上的不同材料進行復合化已經(jīng)成為了新材料的發(fā)展趨勢之一，產(chǎn)生的復合效應(yīng)具有很大的吸引力，如何讓材料結(jié)合并發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，是一直在探討的課題。

采用激光進行非接觸焊接成為最有利的解決方案之一，它可以大幅度的減小工件的熱影響區(qū)；可以實現(xiàn)精確定位焊接；實現(xiàn)在復雜幾何位置上的焊接；由于焊點尺寸小，使得在電路板，連接器和柔性電路板的部件焊接上成為可能；此外，焊點間的潛在搭橋現(xiàn)象大為減少，大大提高焊接品質(zhì)及可靠性。因此，激光非接觸焊接技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于微電子加工、汽車、消費類電子、光通信、機械、航空、包裝等行業(yè)領(lǐng)域。

然而激光焊接是一個快速而不均勻的熱循環(huán)過程，焊縫附近加熱或冷卻過程中溫度梯度較大，通過實驗來確定激光焊接的工藝參數(shù)以及溫度場情況成本太過昂貴，且操作難度大，工序復雜，因此準確認識激光焊接溫度場的分布規(guī)律，從理論上指導實踐，對控制焊接質(zhì)量和使用性能具有重要現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有激光焊接溫度場仿真模擬的不足，本發(fā)明目的在于提供一種基于comsol溫度模型模擬計算激光加工與焊接過程中溫度場的方法，其中comsol軟件擁有簡潔友好的操作界面，可加載自定義的高斯熱源模型，適用于聚合物/金屬材料激光焊接溫度場分布的數(shù)值模擬，并以此來解決背景技術(shù)中的難點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于comsol溫度模型模擬計算激光加工與焊接過程中溫度場的方法，其特征在于，包括如下步驟：

1）使用comsol軟件建立瞬態(tài)溫度場模型；

2）引入激光光源；

3）建立所處理材料的幾何體物理模型，并賦予模型對應(yīng)的材料屬性；

4）設(shè)置模型初始和邊界熱源條件；

5）劃分網(wǎng)格并計算。

上述方案中，步驟1）選擇新建模型為三維激光加熱溫度場模型，并選擇研究類型為瞬態(tài)。

上述方案中，步驟2）通過加載高斯熱源模型來引入激光光源，熱源半徑為1-3.5mm、激光功率為1-5kw，可實現(xiàn)對不同能量密度激光光源的模擬。

上述方案中，步驟3）設(shè)定金屬材料為銅，聚合物材料為環(huán)氧玻璃層壓板，其中金屬材料銅的規(guī)格為10~50mm×10~50mm×0.1~1.5mm，聚合物環(huán)氧玻璃布層壓板的規(guī)格為10~50mm×10~50mm×0.1~1.5mm；定義材料的物性參數(shù)，每種材料的物性參數(shù)包括常壓熱容、密度和導熱系數(shù)。上述方案中，步驟4）設(shè)定金屬和聚合物形成聯(lián)合體，且激光直接照射時，整個工件都與環(huán)境熱絕緣，工件上下兩部分之間是固體傳熱。

上述方案中，步驟5）根據(jù)選取材料的規(guī)格，為了達到求解的精度，要求單元尺寸為光斑大小的1/4-1/5，根據(jù)模型的類型，選擇網(wǎng)格劃分的方式為掃掠；設(shè)置計算總時長為0.2-1s，步長為0.001-0.01s。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明通過在comsol有限元軟件中加載自定義的高斯熱源模型，利用comsol軟件對聚合物/金屬材料激光焊接溫度場的分布進行數(shù)值模擬，得到焊接溫度場圖，預(yù)測焊件各點的溫度，操作簡單方便，大大縮減了實驗時間和成本，對準確認識聚合物/金屬材料激光焊接溫度場的分布規(guī)律、控制焊接質(zhì)量和使用性能提供理論指導和技術(shù)支持。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總流程圖。

圖2是comsol數(shù)值模擬中金屬材料銅的物理參數(shù)圖表。

圖3是comsol數(shù)值模擬中聚合物材料環(huán)氧玻璃布層壓板的物理參數(shù)圖表。

圖4（a）是comsol中激光高斯脈沖曲線圖。

圖4（b）是comsol中激光掃描函數(shù)曲線圖。

圖4（c）是comsol中激光能量密度分布圖。

圖5是comsol數(shù)值模擬中幾何體模型網(wǎng)格劃分圖。

圖6是comsol在step=0.02s時的不同光斑半徑下的銅表面0.02s時的模擬溫度場圖（功率3kw、周期0.1s）。

圖7是實施例1計算完成后所得模擬溫度場圖。

圖8是實施例2計算完成后所得模擬溫度場圖。

圖9是實施例3計算完成后所得模擬溫度場圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。

實施例1

一種基于comsol對激光焊接過程中溫度場模擬計算的方法，包括如下步驟：

（1）熱源模型的建立：

進入軟件主界面，選擇“模型向?qū)А保陆ㄈS激光加熱物理場模型，并選擇“研究”為瞬態(tài)。在“定義”中增加函數(shù)，定義高斯脈沖函數(shù)以及波形，從而建立移動的高斯圓形熱源模型。設(shè)置激光功率為3kw，光斑半徑為2.5mm，激光作用周期為0.1s。

（2）模型的建立：

設(shè)定模型尺寸為20mm×20mm×1mm（幾何體1）和20mm×20mm×3mm（幾何體2），調(diào)整幾何體的角度位置，使得二者之間形成上下緊密結(jié)合。

（3）初始及邊界條件：

設(shè)定激光直接照射時，整個幾何模型都與環(huán)境熱絕緣，幾何體上下兩部分之間是固體傳熱模式，初始溫度為298.15k；設(shè)置激光直接照射面為熱通面。

（4）材料物性參數(shù)的設(shè)定：

點擊幾何體1，在comsol數(shù)據(jù)庫中搜索“copper”，并賦予給幾何體1；點擊幾何體2，設(shè)置其常壓熱容、密度和導熱系數(shù)。設(shè)置完成后，將兩個幾何體形成聯(lián)合體。

（5）網(wǎng)格劃分：

選擇網(wǎng)格劃分的方式為掃掠，單元數(shù)目為20。

（6）計算：

進入研究，在“步驟1：瞬態(tài)”的“設(shè)定”中設(shè)置計算步長為0.01s，總時間為0.1s，并檢查是否有參數(shù)設(shè)置錯誤，若無錯誤則單擊“=計算”進入計算。計算完成后，在“結(jié)果”中對計算數(shù)據(jù)進行分析處理。

本實施例所得到模擬溫度場過程中，銅表面最高溫度為904k，計算完成后模擬溫度場圖如圖7所示。

實施例2

一種基于comsol對激光焊接過程中溫度場模擬計算的方法，包括如下步驟：

（1）熱源模型的建立：

進入軟件主界面，選擇“模型向?qū)А?，新建三維激光加熱物理場模型，并選擇“研究”為瞬態(tài)。在“定義”中增加函數(shù)，定義高斯脈沖函數(shù)以及波形，從而建立移動的高斯圓形熱源模型。設(shè)置激光功率為3kw，光斑半徑為2.5mm，激光作用周期為0.1s。

（2）模型的建立：

設(shè)定模型尺寸為20mm×20mm×1mm（幾何體1）和20mm×20mm×3mm（幾何體2），調(diào)整幾何體的角度位置，使得二者之間形成上下緊密結(jié)合。

（3）初始及邊界條件：

設(shè)定激光直接照射時，整個幾何模型都與環(huán)境熱絕緣，幾何體上下兩部分之間是固體傳熱模式，初始溫度為298.15k；設(shè)置激光直接照射面為熱通面。

（4）材料物性參數(shù)的設(shè)定：

點擊幾何體1，在comsol數(shù)據(jù)庫中搜索“copper”，并賦予給幾何體1；點擊幾何體2，設(shè)置其常壓熱容、密度和導熱系數(shù)。設(shè)置完成后，將兩個幾何體形成聯(lián)合體。

（5）網(wǎng)格劃分：

選擇網(wǎng)格劃分的方式為掃掠，單元數(shù)目為20。

（6）計算：

進入研究，在“步驟1：瞬態(tài)”的“設(shè)定”中設(shè)置計算步長為0.01s，總時間為0.4s，并檢查是否有參數(shù)設(shè)置錯誤，若無錯誤則單擊“=計算”進入計算。計算完成后，在“結(jié)果”中對計算數(shù)據(jù)進行分析處理。

本實施例所得到模擬溫度場過程中，銅表面最高溫度為1327k，計算完成后模擬溫度場圖如圖8所示。

實施例3

一種基于comsol對激光焊接過程中溫度場模擬計算的方法，包括如下步驟：

（1）熱源模型的建立：

進入軟件主界面，選擇“模型向?qū)А?，新建三維激光加熱物理場模型，并選擇“研究”為瞬態(tài)。在“定義”中增加函數(shù)，定義高斯脈沖函數(shù)以及波形，從而建立移動的高斯圓形熱源模型。設(shè)置激光功率為1kw，光斑半徑為2.5mm，激光作用周期為0.1s。

（2）模型的建立：

設(shè)定模型尺寸為20mm×20mm×1mm（幾何體1）和20mm×20mm×3mm（幾何體2），調(diào)整幾何體的角度位置，使得二者之間形成上下緊密結(jié)合。

（3）初始及邊界條件：

設(shè)定激光直接照射時，整個幾何模型都與環(huán)境熱絕緣，幾何體上下兩部分之間是固體傳熱模式，初始溫度為298.15k；設(shè)置激光直接照射面為熱通面。

（4）材料物性參數(shù)的設(shè)定：

點擊幾何體1，在comsol數(shù)據(jù)庫中搜索“copper”，并賦予給幾何體1；點擊幾何體2，設(shè)置其常壓熱容、密度和導熱系數(shù)。設(shè)置完成后，將兩個幾何體形成聯(lián)合體。

（5）網(wǎng)格劃分：

選擇網(wǎng)格劃分的方式為掃掠，單元數(shù)目為20。

（6）計算：

進入研究，在“步驟1：瞬態(tài)”的“設(shè)定”中設(shè)置計算步長為0.01s，總時間為0.4s，并檢查是否有參數(shù)設(shè)置錯誤，若無錯誤則單擊“=計算”進入計算。計算完成后，在“結(jié)果”中對計算數(shù)據(jù)進行分析處理。

本實施例所得到模擬溫度場過程中，銅表面最高溫度為478k，計算完成后模擬溫度場圖如圖9所示。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。