激光焊接仿真的案例
干貨 | ANSYS激光焊接過程熱應力仿真應用
激光焊接具有功率密度高、熱影響區和熱變形小、焊縫深寬比大、焊接質量高等許多優點，此外，激光焊接還具有加工區域細小、能量密度高、熱源易控制、熱影響區窄等特點。因此，激光焊接是鋼/鋁異種金屬的理想焊接方法。
利用Ansys Workbench仿真平臺可直接對焊接過程進行熱固耦合數值求解，進而得到給定工藝參數條件下的溫度場和應力場分布。示意簡單模型如下：
幾何模型
仿真過程中，對于模型三個部件，采用掃描方法劃分六面體網格，板材厚度方向上，定義三層網格以捕捉彎曲變形效果；材料選用普通結構鋼。
網格模型
1.激光焊過程瞬態熱分析
為了仿真激光焊接過程產生的熱場分布，必須建立精確地熱源。對于這種移動熱源施加問題，可以借助ANSYS軟件的ACT工具“Moving_Heat_Flux”實現高斯熱源載荷設置：移動熱流率或移動熱能量兩種方式。
移動熱流率源載荷：
熱動熱能量源載荷：
本案例中，采用移動熱流率載荷，熱源移動速度為5 mm/s，從初始時刻起，作用總時間44 s，激光能流量強度為7.5 w/mm2，作用區域半徑5 mm。結構外表面設置對流換熱條件，環境溫度22度。
展開 分析示例 | Simufact焊接工藝仿真變形精確預測汽車結構
同樣的方法，對側圍門框激光焊接工藝進行仿真，按照實際的工裝、焊接順序、焊接方向、焊接工藝參數，在Simufact welding建立焊接仿真模型，模型如下圖所示：
側圍門框激光焊接仿真模型
通過與實際物理試驗掃描結果對比，Simufact welding 焊接變形仿真結果與實際焊接變形非常接近，獲得了較高的仿真精度，大部分位置的變形誤差控制在10%以內，其中B 柱鉸鏈孔附近y向變形最大，預測結果為1.74mm，掃描結果為2.00mm，相對誤差13%，在仿真分析中，這個誤差也認為在合理的誤差內。這個仿真分析中沒有考慮鈑金沖壓成形產生的殘余應力、回彈、壁厚減薄等對焊接工藝的影響。Simufact welding可以與Simufact forming鈑金沖壓成形功能實現沖壓-焊接、焊接-沖壓等工藝鏈仿真，充分考慮了實際的制造工藝鏈。
側圍外板的Y向變形模擬結果與掃描結果對比
總 結
● 通過Simufact welding對熱成型B柱激光焊接過程進行分析，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際結果一致性較好，驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對白車身側圍外板激光焊接過程的仿真分析，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際變形結果對應較好，再次驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對焊接工藝過程的仿真，可以對焊接工藝參數、工裝夾具、焊接順序、焊接方向等進行仿真分析，可以對焊接變形、焊接殘余應力、熔池、熱影響區、相組織、溫度場等進行仿真分析，代替或減少物理試錯，節省人力、物力，縮短研發周期，助力焊接工藝開發。
展開 設計仿真 | Simufact焊接工藝仿真變形精確預測汽車結構
，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際結果一致性較好，驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對白車身側圍外板激光焊接過程的仿真分析，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際變形結果對應較好，再次驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對焊接工藝過程的仿真，可以對焊接工藝參數、工裝夾具、焊接順序、焊接方向等進行仿真分析，可以對焊接變形、焊接殘余應力、熔池、熱影響區、相組織、溫度場等進行仿真分析，代替或減少物理試錯，節省人力、物力，縮短研發周期，助力焊接工藝開發。
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● 通過Simufact welding對焊接工藝過程的仿真，可以對焊接工藝參數、工裝夾具、焊接順序、焊接方向等進行仿真分析，可以對焊接變形、焊接殘余應力、熔池、熱影響區、相組織、溫度場等進行仿真分析，代替或減少物理試錯，節省人力、物力，縮短研發周期，助力焊接工藝開發。
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comsol 激光焊接、激光穿孔模型
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移動的激光熱源加熱及熱形變仿真（COMSOL) ￥25
<p><strong> 激光加熱及激光焊接非常常見，，如何仿真激光焊接過程的熔深及路徑上的熱應變呢？本貼以激光加熱為例，模擬高斯分布熱源勻速經過兩塊金屬體接縫處的場景。本例還適用于激光加熱，粒子轟擊加熱等以移動的高斯熱源加熱的場景。</strong></p><p> 本例使用激光功率500W，熱源移動速度10mm/s，焊接使用兩塊不銹鋼板。</p><p> 仿真主要流程就是：</p><p>1：定義激光熱源；</p><p>2：定義激光熱源行走路徑；</p><p>3：導入幾何</p><p>4：添加材料；</p><p>5：物理場設置，包含固體傳熱和固體力學；</p><p>6：網格劃分；</p><p>7：研究設置</p><p>8：后處理。結果可看熔深大小，焊接熱變形，激光行走過程等溫面分布等。
展開 干貨||激光在軌道交通行業中的應用系列之車輛激光焊接工藝
激光拼焊
激光拼焊是軌道車輛中最被看好的技術之一，屬于無接觸焊接，可將不同鋼種、厚度、表面處理的鋼板焊接成一個整體，區別于電阻滾壓縫焊，通過自由組合，使得構件變輕，零件變少，不僅提高可靠性，為寬體車制造奠定基礎，同時也改善了焊接質量，提高了鋼材收得率，并降低了生產成本。
（不銹鋼車體激光焊接）
激光組焊
激光組焊在城市軌道車輛車身制造中舉足輕重，通過雙件組焊、多件組焊，將已切割成形的各類車身構件，焊接成白車身分總成，進而總裝成整車車身。激光組焊因其焊接強度高，可明顯改善車身強度、剛度及密閉性。焊接同時結合面小、變形小、焊接速度快、可焊材料范圍廣，適合于柔性化生產，投資效益好。但激光組焊技術也有明顯的缺點，如對夾具、被焊件、監測精度等要求嚴格，焊接后檢測評價和返修困難，一次性投入大等。
目前不銹鋼車體研制中采用電阻點焊和激光焊接技術改善外觀。通過大量的工作試件的制作與分析不僅獲得了1-6mm不銹鋼接頭焊接的技術規范(例如坡口準備、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、保護氣體成分及流量等)，檢驗了焊接接頭的抗拉強度、屈服強度、硬度、疲勞曲線等技術指標而且完成不銹鋼車體端墻激光焊接樣件的制作與評定。
激光一電弧復合焊
（激光+電弧復合熱源焊接示意圖）
1）不銹鋼車體制造。軌道車輛車體通常選用不銹鋼車體，由于電弧焊接后熱影響及變形等較嚴重，因此為改善外觀，過去常常進行涂裝作業，而現在則選用激光或電阻焊進行作業。通過長期加工技術應用的實踐、積累及分析，不銹鋼接頭焊接技術規范、疲勞曲線、硬度、抗拉強度、屈服強度、等技術指標相繼被取得或檢驗，車體激光焊接樣件的制評亦完成。
2）車輛轉向架制造。軌道車輛轉向架通常選用日本進口或國產的中厚合金鋼板材，同時多選用熔化極氣體保護焊。
展開 marc激光焊接
求marc激光焊接的例子，
激光焊接基本知識
首先，什么是激光？世界上的第一個激光束于1960年利用閃光燈泡激發紅寶石晶粒所產生，因受限于晶體的熱容量，只能產生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達106瓦，但仍屬于低能量輸出。
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池
下圖是激光焊接的工作原理：
激光技術采用偏光鏡反射激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，假如焦點靠近工件，工件就會在幾毫秒內熔化和蒸發，這一效應可用于焊接工藝高 功率CO2及高功率YAG激光器的出現，開辟了激光焊接的新領域。激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd:YAG 激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁柘榴石，晶體結構與紅寶石相似。Nd:YAG激光器波長為1.06μm，主要優點是產生的光束可以通 過光纖傳送，因此可以省往復雜的光束傳送系統，適用于柔性制造系統或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車產業常用輸出功率為3-4千瓦的 Nd:YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質，產生均勻為10.6μm的紅外激光，可以連續工作并輸出很高的功率，標 準激光功率在2-5千瓦之間。
與其它傳統焊接技術相比，激光焊接的主要優點是：
1、速度快、深度大、變形小。
2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。
展開 激光焊接的工裝優化改進
在焊接過程中發現，更換不同的焊接產品時，激光焊接初始點校對耗時長，批量生產過程中受零件精度影響出現焊縫質量不穩定等問題。通過優化相應工裝的設計，以減少自動焊接的校對輔助時間，保證焊縫質量和批量生產需求。
隨著我國工業的快速發展，激光焊接技術在機械、軌道車輛、汽車制造、電子及航空航天中得到了廣泛應用。在使用我廠現有激光焊接設備時發現，在焊接設備過程中更換不同的焊接產品時，對零件初始焊接點的校對需要花費大量時間；另外，焊接時受激光光斑大小的限制對零件裝夾位置的重復定位精度要求較高，從而對零件上一工序的加工精度要求也相對提高，因此增加了加工成本。
為減少校對的輔助時間，降低加工成本，我們設計了工裝更換定位板、校對對針，并增加了激光焊縫跟蹤系統。
1. 焊接設備的工作過程
我廠的激光焊接系統先通過機器人對零件的焊接路徑進行采點，同時將焊接程序編制完成，調試運動無誤后，由機器人帶動焊接頭在防護房內對零件進行焊接。
2. 工裝的設計
（1）工裝更換定位板的設計
原焊接系統中是將焊接工裝通過壓板直接固定在工作臺上，在只焊接同一種零件時未發現問題，當更換不同的焊接零件時，發現先期加工過的零件再進行焊接，相應的焊接工裝在工作臺上前后兩次固定位置偏移較大，零件裝夾到位后焊接初始點仍需重新校對，增加了焊接準備時間。因此，我們設計了定位板，如圖1所示。
將定位板固定在焊接工作臺上，焊接不同產品時工裝安裝位置是固定的，如圖2、圖3所示。
更換不同的焊接零件時，按照固定的位置進行裝夾，這樣零件焊縫的位置相對于機器人便不會出現較大位移，從而減少焊接初始點的重復校對次數。
展開 技術｜激光焊接技術
激光焊接技術作為一項激光加工技術，早在1964年就應用在薄小零件的焊接中。隨著汽車工業的快速發展及人們需求的不斷提高，為滿足安全、環保和節能等要求，并實現焊接產品制造的自動化、柔性化與智能化發展，從20世紀80年代開始，激光焊接技術開始應用于汽車車身制造領域。據有關資料統計，歐美工業發達國家50%～70%的汽車零部件都是用激光加工完成的，其中主要以激光焊接和切割為主，激光焊接在汽車生產中已成為標準工藝。
工藝原理
激光的含義：LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation(通過誘導放出實現光能增幅)。
LASER
L - Light 光線
A - Amplification by 放大
S - Stimulated 激勵
E - Emission of 發光
R - Radiation 輻射
激光焊接的原理是由激光發生器發出的激光束，聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化，潤濕車身上的鋼板，填充鋼板接頭的間隙，形成焊縫最終實現良好的連接。焊接后形成銅焊絲與鋼板之間的釬焊連接，銅焊絲與鋼板分別為不同元素，其形成的焊接層，為兩種不同元素高溫后形成的融合。相較于傳統的點焊，這種焊接方式焊接質量更好，速度更快，焊接部位強度更高。
圖1 激光焊接原理圖
以下為TRUMPF激光焊接視頻展示：
工藝優缺點
激光焊接的優點如下：
熱影響區小。可將輸入熱量降到最低的需要量，熱影響區小，因此熱變形亦最小。
非接觸式。
展開 
車身激光焊接是什么
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。利用激光的高溫，將兩塊鋼板內的分子結構打亂，分子重新排列使得兩塊鋼板中的分子溶為一體。由于連續的激光焊接不需要像傳統點焊工藝那樣需要使用板材邊緣堆疊焊接，因此常被汽車廠家用于車頂與車身之間的焊接，具有美觀、隔音和密封性好的優點。
激光焊接只有焊縫達到足夠的長度時，抗拉強度才可以超過點焊，換句話說，由于激光焊接的抗拉強度受到了焊縫長度、熔寬等因素的影響，而點焊的抗拉強度也與焊點數量和間距等因素密切相關，因此單憑工藝名稱無法定論孰強孰弱。
如今激光焊接已經算不上什么尖端科技了，而真正決定是否選用激光焊接工藝，恐怕還是取決于廠家在車身結構設計、生產線布局和更新等方面的考量。因為激光焊接作業的毒害性和危險性都非常高，需要專門獨立且封閉的作業區域，因此老廠房添置該設備將面臨較大的困難。
在車輛制造的過程中，車門部分、門檻梁部分，甚至是后備廂蓋部分都可能應用到激光焊接，因此可以看到，激光焊接并非高深的技術，它只是白車身制造工序中，常見的一種基材間相互連接的方式。
展開 激光焊接在熱成形門環中的應用
1.3 熱成型材料的激光焊接
常見的熱成型材料分為裸板和鋁硅鍍層板。裸板的激光焊接不需要做額外處理，技術成熟度高。鋁硅鍍層板在激光焊接之前要除去部分鍍層，避免鍍層中的鋁元素影響焊縫的性能，如圖4所示。目前，這是安塞洛米塔爾的獨有專利技術，謳歌MDX、RDX和克萊斯勒Pacifica都是使用該技術。
激光焊接技術在玻璃上的應用
技術背景
伴隨激光技術的飛速發展，激光被廣泛應用于焊接各種材料。玻璃作為一種透明易碎的脆性材料，傳統激光光源不能輕易被其所吸收，并且吸熱的玻璃由于熱膨脹系數較大，焊接時容易碎裂，故并不適合以傳統的激光焊接方式加工。
通常激光焊接玻璃、塑料等透明材料主要有兩種方法。一種是在焊接界面處涂覆不透明的顏料或者添加中間層辦法來增加激光吸收率，界面附近材料吸收激光溫度升高，后經過材料融化后再凝固實現透明材料的連接。另一種方法是采用特種焊接光源進行焊接，通過高功率密度激光使透明材料之間產生非線性吸收從而形成有效焊點，越來越多的科研工作者和工程師將目光轉向了特種光源的激光焊接加工應用。
研究現狀
近年來，利用特種光源相繼實現了多種玻璃、玻璃及單晶硅之間的焊接。美國PolaOnyx公司使用特種激光單線/多線掃描，實現了玻璃焊接及密封。Hélie等使用激光將100μm厚的玻璃端蓋微焊接到微結構光纖上，成功為標準光纖和微結構光纖焊接端蓋。Tamaki等在研究中使用波長為1558nm的激光成功實現了異種玻璃之間、玻璃與硅片之間的焊接，分別獲得了9.87MPa和3.74MPa的焊接強度。
但多數學者研究激光焊接玻璃的結果，焊接融合區域均呈現水滴狀，其主要由3部分組成，分別為頂部的圓形空腔、中部的熔融區域和底部的微小空腔構成的線形結構。其中頂部和底部的空腔容易產生應力集中，參數控制不好，也易產生裂紋，另外由于其為水滴狀結構，線間距控制不好可能會導致斷續未連接成型的焊縫。
展開 激光焊接技術在汽車領域的主要應用分析
激光焊接因具有高能量密度、深穿透、高精度、適應性強等優點而受到航空航天、機械、電子、汽車、造船和核能工程等領域的普遍重視。尤其在汽車生產中，無論是車身組裝還是汽車零部件的生產，激光焊接都得到了廣泛的應用。
激光焊接因具有高能量密度、深穿透、高精度、適應性強等優點而受到航空航天、機械、電子、汽車、造船和核能工程等領域的普遍重視。尤其在汽車生產中，無論是車身組裝還是汽車零部件的生產，激光焊接都得到了廣泛的應用。據有關資料統計，歐美工業發達國家50% ～70%的汽車零部件都是用激光加工完成的，其中主要以激光焊接和切割為主，激光焊接在汽車生產中已成為標準工藝。
激光焊接應用技術
1、汽車車身激光焊接技術
汽車車身是典型的薄板殼結構，由低合金高強度薄鋼板經沖壓、剪裁、整形制成覆蓋件，并經焊接裝配而成。車身裝配中焊點可達幾千個，傳統焊裝采用的是電阻點焊工藝。電阻點焊工藝是用兩個電極從兩個方向壓緊工件，在兩塊搭接件上加壓并通電，使接觸面間形成焊點而將工件焊在一起。為滿足結合和外形要求，各焊點間要保持一定間隔。點焊時焊鉗在工件邊緣下進行焊接，凸緣寬度需要16mm；而激光焊為單邊焊接，凸緣寬度只需5mm。把點焊改為激光焊，僅此一項每輛車就可節約鋼材40kg。
激光焊接形成的窄而深的焊縫容易使工件焊透。激光頭和待焊件之間無任何機械接觸，不存在加工機械應力。激光焊縫的拉伸強度和疲勞強度與母材相當，符合承載力要求，這樣可使構件材料減薄，車身重量減輕。同時，由于激光焊接采用計算機控制，所以具有較強的靈活性和機動性，可以對形狀特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等進行焊接。加上光纖傳輸系統和機械手，就可實現汽車裝配生產線的自動化。
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