技術領域

本發明屬于激光焊接與加工領域，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

隨著科技不斷地進步，也推動著材料產業的進步，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成為了新材料的發展趨勢之一，產生的復合效應具有很大的吸引力，如何讓材料結合并發揮出各自的優勢，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；可以實現精確定位焊接；實現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象大為減少，大大提高焊接品質及可靠性。因此，激光非接觸焊接技術可以廣泛應用于微電子加工、汽車、消費類電子、光通信、機械、航空、包裝等行業領域。

然而激光焊接是一個快速而不均勻的熱循環過程，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律，從理論上指導實踐，對控制焊接質量和使用性能具有重要現實意義。

發明內容

針對現有激光焊接溫度場仿真模擬的不足，本發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值模擬，并以此來解決背景技術中的難點。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：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，并賦予模型對應的材料屬性；

4）設置模型初始和邊界熱源條件；

5）劃分網格并計算。

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。

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1-3.5 mm、激光功率為1-5 kW，可實現對不同能量密度激光光源的模擬。

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

上述方案中，步驟5）根據選取材料的規格，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，根據模型的類型，選擇網格劃分的方式為掃掠；設置計算總時長為0.2-1 s，步長為0.001-0.01 s。

本發明的有益效果如下：本發明通過在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值模擬，得到焊接溫度場圖，預測焊件各點的溫度，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律、控制焊接質量和使用性能提供理論指導和技術支持。

附圖說明

圖1是本發明的總流程圖。

圖2是COMSOL數值模擬中金屬材料銅的物理參數圖表。

圖3是COMSOL數值模擬中聚合物材料環氧玻璃布層壓板的物理參數圖表。

圖4（a）是COMSOL中激光高斯脈沖曲線圖。

圖4（b）是COMSOL中激光掃描函數曲線圖。

圖4（c）是COMSOL中激光能量密度分布圖。

圖5是COMSOL數值模擬中幾何體模型網格劃分圖。

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

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