(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201611268954.6
(22)申请日 2016.12.31
(71)申请人 武汉博联特科技有限公司
地址 430074 湖北省武汉市东湖开发区光
谷大道303号光谷芯中心一期1-05幢3
层301号
(72)发明人 刘曰利 洪习何 程娜 陈韬
(74)专利代理机构 武汉今天智汇专利代理事务
所(普通合伙) 42228
代理人 严超
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
(54)发明名称基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的方法(57)摘要本发明属于激光加工与焊接领域，具体涉及一种基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的普适性方法，其特征在于，包括如下步骤：1）使用COMSOL软件建立瞬态温度场模型；2）引入激光光源；3）建立所处理材料的几何体物理模型，并赋予模型相关物理化学属性；4）设置模型初始和边界热源条件；5）划分网格并计算。本发明通过在COMSOL有限元软件中加载自定义的高斯热源模型，利用COMSOL软件对聚合物/金属材料激光焊接温度场的分布进行数值模拟，得到焊接温度场图，预测焊件各点的温度，操作简单方便，大大缩减了实验时间和成本，对准确认识聚合物/金属材料激光焊接温度场的分布规律、控制焊接质量和使用性能提供理论指导 和技术支持。权利要求书1页 说明书4页 附图5页CN 107301261 A 2017.10.27
C N 107301261
A
1.基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）使用COMSOL软件建立瞬态温度场模型；
2）引入激光光源；
3）建立所处理材料的几何体物理模型，并赋予模型对应的材料属性；
4）设置模型初始和边界热源条件；
5）划分网格并计算。
2.根据权利要求1所述基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的方法，其特征在于：所述步骤1）的瞬态温度场模型为三维激光加热温度场模型。
3.根据权利要求1所述基于COMSOL对激光焊接过程中温度场模拟计算的方法，其特征在于，步骤2）通过加载高斯热源模型来引入激光光源，热源半径为1-3.5 mm、激光功率为1-5 kW，可实现对不同能量密度激光光源的模拟。
4.根据权利要求1所述基于COMSOL对激光焊接过程中温度场模拟计算的方法，其特征在于，步骤3）设定金属材料为铜，聚合物材料为环氧玻璃层压板，其中金属材料铜的规格为10~50 mm ×10~50 mm ×0.1~1.5 mm，聚合物环氧玻璃布层压板的规格为10~50 mm ×10~50 mm ×0.1~1.5 mm；定义材料的物性参数，每种材料的物性参数包括常压热容、密度和导热系数。
5.根据权利要求1所述基于COMSOL对激光焊接过程中温度场模拟计算的方法，其特征在于，步骤4）设定金属和聚合物形成联合体，且激光直接照射时，整个工件都与环境热绝缘，工件上下两部分之间是固
体传热。
6.根据权利要求1所述基于COMSOL对激光焊接过程中温度场模拟计算的方法，其特征在于，步骤5）根据选取材料的规格，为了达到求解的精度，要求单元尺寸为光斑大小的1/4-1/5，根据模型的类型，选择网格划分的方式为扫掠；设置计算总时长为0.2-1 s，步长为0.001-0.01 s。
权 利 要 求 书1/1页CN 107301261 A
基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场
的方法
技术领域
[0001]本发明属于激光焊接与加工领域，具体涉及一种基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的方法。
背景技术
[0002]随着科技不断地进步，也推动着材料产业的进步，对材料的要求越来越趋于精细化、轻量化以及
多功能化。将两种或两种以上的不同材料进行复合化已经成为了新材料的发展趋势之一，产生的复合效应具有很大的吸引力，如何让材料结合并发挥出各自的优势，是一直在探讨的课题。
[0003]采用激光进行非接触焊接成为最有利的解决方案之一，它可以大幅度的减小工件的热影响区；可以实现精确定位焊接；实现在复杂几何位置上的焊接；由于焊点尺寸小，使得在电路板，连接器和柔性电路板的部件焊接上成为可能；此外，焊点间的潜在搭桥现象大为减少，大大提高焊接品质及可靠性。因此，激光非接触焊接技术可以广泛应用于微电子加工、汽车、消费类电子、光通信、机械、航空、包装等行业领域。
[0004]然而激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近加热或冷却过程中温度梯度较大，通过实验来确定激光焊接的工艺参数以及温度场情况成本太过昂贵，且操作难度大，工序复杂，因此准确认识激光焊接温度场的分布规律，从理论上指导实践，对控制焊接质量和使用性能具有重要现实意义。
发明内容
[0005]针对现有激光焊接温度场仿真模拟的不足，本发明目的在于提供一种基于COMSOL 温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的方法，其中COMSOL软件拥有简洁友好的操作界面，可加载自定义的高斯热源模型，适用于聚合物/金属材料激光焊接温度场分布的数值模拟，并以此来解决背景技术中的难点。
[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于COMSOL温度模型模拟计算激光加工与焊接过程中温度场的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）使用COMSOL软件建立瞬态温度场模型；
2）引入激光光源；
3）建立所处理材料的几何体物理模型，并赋予模型对应的材料属性；
4）设置模型初始和边界热源条件；
5）划分网格并计算。
[0007]上述方案中，步骤1）选择新建模型为三维激光加热温度场模型，并选择研究类型为瞬态。
[0008]上述方案中，步骤2）通过加载高斯热源模型来引入激光光源，热源半径为1-3.5 mm、激光功率为1-5 kW，可实现对不同能量密度激光光源的模拟。
[0009]上述方案中，步骤3）设定金属材料为铜，聚合物材料为环氧玻璃层压板，其中金属
材料铜的规格为10
~50 mm×10
~
50 mm×0.1
~
1.5 mm，聚合物环氧玻璃布层压板的规格为10
~50 mm×10
~
50 mm×0.1
~
1.5 mm；定义材料的物性参数，每种材料的物性参数包括常压热
容、密度和导热系数。上述方案中，步骤4）设定金属和聚合物形成联合体，且激光直接照射时，整个工件都与环境热绝缘，工件上下两部分之间是固体传热。
[0010]上述方案中，步骤5）根据选取材料的规格，为了达到求解的精度，要求单元尺寸为光斑大小的1/4-1/5，根据模型的类型，选择网格划分的方式为扫掠；设置计算总时长为0.2-1 s，步长为0.001-0.01 s。
[0011]本发明的有益效果如下：本发明通过在COMSOL有限元软件中加载自定义的高斯热源模型，利用COMSOL软件对聚合物/金属材料激光焊接温度场的分布进行数值模拟，得到焊接温度场图，预测焊件各点的温度，操作简单方便，大大缩减了实验时间和成本，对准确认识聚合物/金属材料激光焊接温度场的分布规律、控制焊接质量和使用性能提供理论指导和技术支持。
附图说明
[0012]图1是本发明的总流程图。
[0013]图2是COMSOL数值模拟中金属材料铜的物理参数图表。
[0014]图3是COMSOL数值模拟中聚合物材料环氧玻璃布层压板的物理参数图表。[0015]图4（a）是COMSOL中激光高斯脉冲曲线图。
[0016]图4（b）是COMSOL中激光扫描函数曲线图。
[0017]图4（c）是COMSOL中激光能量密度分布图。
[0018]图5是COMSOL数值模拟中几何体模型网格划分图。
[0019]图6是COMSOL在Step=0.02 s时的不同光斑半径下的铜表面0.02 s时的模拟温度场图（功率3 kw、周期0.1 s）。
[0020]图7是实施例1计算完成后所得模拟温度场图。
[0021]图8是实施例2计算完成后所得模拟温度场图。
[0022]图9是实施例3计算完成后所得模拟温度场图。
具体实施方式
[0023]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0024]实施例1
一种基于COMSOL对激光焊接过程中温度场模拟计算的方法，包括如下步骤：
（1）热源模型的建立：
进入软件主界面，选择“模型向导”，新建三维激光加热物理场模型，并选择“研究”为瞬态。在“定义”中增加函数，定义高斯脉冲函数以及波形，从而建立移动的高斯圆形热源模型。设置激光功率为3 kW，光斑半径为2.5 mm，激光作用周期为0.1 s。
[0025]（2）模型的建立：
设定模型尺寸为20 mm×20 mm×1 mm（几何体1）和20 mm×20 mm×3 mm（几何体2），调
整几何体的角度位置，使得二者之间形成上下紧密结合。
[0026]（3）初始及边界条件：
设定激光直接照射时，整个几何模型都与环境热绝缘，几何体上下两部分之间是固体传热模式，初始温度为298.15 K；设置激光直接照射面为热通面。
[0027]（4）材料物性参数的设定：
点击几何体1，在COMSOL数据库中搜索“copper”，并赋予给几何体1；点击几何体2，设置其常压热容、密度和导热系数。设置完成后，将两个几何体形成联合体。
[0028]（5）网格划分：
选择网格划分的方式为扫掠，单元数目为20。
[0029]（6）计算：
进入研究，在“步骤1：瞬态”的“设定”中设置计算步长为0.01 s，总时间为0.1 s，并检查是否有参数设置错误，若无错误则单击“=计算”进入计算。计算完成后，在“结果”中对计算数据进行分析处理。
[0030]本实施例所得到模拟温度场过程中，铜表面最高温度为904 K，计算完成后模拟温度场图如图7所示。
[0031]实施例2
一种基于COMSOL对激光焊接过程中温度场模拟计算的方法，包括如下步骤：
（1）热源模型的建立：
进入软件主界面，选择“模型向导”，新建三维激光加热物理场模型，并选择“研究”为瞬态。在“定义”中增加函数，定义高斯脉冲函数以及波形，从而建立移动的高斯圆形热源模型。设置激光功率为3 kW，光斑半径为2.5 mm，激光作用周期为0.1 s。
[0032]（2）模型的建立：
设定模型尺寸为20 mm×20 mm×1 mm（几何体1）和20 mm×20 mm×3 mm（几何体2），调整几何体的角度位置，使得二者之间形成上下紧密结合。
[0033]（3）初始及边界条件：
设定激光直接照射时，整个几何模型都与环境热绝缘，几何体上下两部分之间是固体传热模式，初始温度为298.15 K；设置激光直接照射面为热通面。
[0034]（4）材料物性参数的设定：
点击几何体1，在COMSOL数据库中搜索“copper”，并赋予给几何体1；点击几何体2，设置其常压热容、密度和导热系数。设置完成后，将两个几何体形成联合体。
[0035]（5）网格划分：
选择网格划分的方式为扫掠，单元数目为20。
[0036]（6）计算：
进入研究，在“步骤1：瞬态”的“设定”中设置计算步长为0.01 s，总时间为0.4 s，并检查是否有参数设置错误，若无错误则单击“=计算”进入计算。计算完成后，在“结果”中对计算数据进行分析处理。
[0037]本实施例所得到模拟温度场过程中，铜表面最高温度为1327 K，计算完成后模拟温度场图如图8所示。
[0038]实施例3
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