沈阳航空航天大学辽宁沈阳122000
摘要：本文从激光-电弧复合焊接设备工艺特点出发，分析了激光-电弧复合焊接工艺三维仿真模拟研究的意义和价值，从功能目标确立、设计流程制定、系统模块设计以及软件和硬件的开发环境等四个方面对激光-电弧复合焊接仿真系统的总体设计进行了分析，根据数据输入、仿真模型设计、焊接过程仿真以及仿真结果输出等四个环节对激光-电弧复合焊接设备工艺三维仿真模拟技术要点进行了研究。
关键词：激光-电弧复合焊接设备；三维仿真模拟；焊接工艺
纵观全球经济的发展，制造业在国民经济之中一直起着支柱性作用，制造业的技术水平以及产业发达程度决定了大多数国家的经济发展状况。现在全球的经济发展的大背景下，经济全球化要求一个国家的技术革新应该能根据市场的实际需求做出快速的反应，这种对需求敏锐的洞察力成为企业之间甚至国家之间竞争的关键能力，而这种能力恰恰和制造业的发展水平具有较大的关联。拥有先进的制造技术是一个国家强大与否的标志，近年来，世界各国都在大力研发新型材料，研究材料加工技术，激光-电弧复合焊接作为一种重要的材料连接工艺已经成为研究学者争相研究的焦点。
激光-电弧复合焊接技术具有两种焊接工艺的焊接特点，以激光作为焊接热源时热源相对集中，能量密度较高，激光的方向性好，指向性精确，因此激光热源的热量既集中又精确，传播介质方面，激光的光线传播可以在透明介质中进行。电弧焊接技术通过电弧产生的等离子体在电能向热能进行转化时转化效率很高，而且电弧焊接设备的制造成本比较低，焊接过程需要的运行成本也比较低，经过长时间的发展已经具备成熟的焊接工艺体系，并且可以生产出性能非常稳定的焊接设备。激光焊接技术和电弧焊接技术相互结合不仅规避了原有的技术弊端，又产生了一些新的技术优势，成为一种重要的新型焊接工艺。
在对一些重要结构件进行焊接时通常需要花费较大的成本，并且通过实际的焊接过程检验焊接质量的代价太大，因此用计算机仿真的方法对焊接工艺进行三维仿真具有重要的现实意义。对激光-电弧复合焊接设备进行焊接工艺的三维仿真模拟涉及到的环节多，算法上实现起来难度很大，是一项复杂的任务。
1激光-电弧复合焊接仿真系统的总体设计
仿真系统的设计过程需要按照软件开发的规律来进行，软件工程将所设计的软件当做一种工程性的产品，这种产品的出厂过程需要经历产品计划、分析论证、软件设计、功能实现、功能测试以及后期维护等六个阶段，数学、物理以及计算机专业知识的合理运用通常贯穿于上文所述的全部过程，在其总体设计阶段主要涉及到功能目标确立、设计流程制定、系统模块设计以及软件和硬件的开发环境等四个方面。
焊接工艺仿真模拟运用于焊接企业生产实践的价值在于可以花费较小的成本对焊接工艺进行检验，在焊接工艺仿真模拟的过程中可以反复斟酌工艺方案的合理性，以提高焊接产品的焊接质量，通过上述方法来降低生产成本。
对激光-电弧复合焊接仿真系统进行总体设计时需要对系统提出功能预期，仿真系统应该具有友好的操作界面，用户可以通过操作界面进行参数设置。所输入的焊接参数包括待焊接工件的几何参数、材料种类、工件位置以及接头的形式等。还应该包括焊接工艺的参数信息，例如焊接时电弧焊枪和激光焊枪需要的电流、电压以及焊枪移动的轨迹和速度等信息。
虚拟焊接的仿真过程就是根据不同的参数设置，以不同的工艺对工件进行焊接加工的模拟过程，最终以三维可视化的模型展示出焊接过程。除此之外，仿真过程还能模拟出激光-电弧复合焊接的过程状态，结构组成、焊缝形貌以及力学性能等，完整的焊接仿真系统由焊接参数输入、仿真模型建立、焊接过程仿真以及仿真结果输出等四个环节。
2激光-电弧复合焊接设备工艺三维仿真模拟技术要点
2.1数据输入
此模块是用户进行激光-电弧复合焊接工艺参数的输入过程，也是焊接仿真系统采集焊接工艺参数的过程，数据输入模块将采集到的焊接工艺参数传递给仿真模块，具体的焊接参数由焊接工件的几何参数和焊接过程的工艺参数组成。焊接工件的几何参数包含焊件长度、焊件宽度、焊件高度、焊接接头形式、焊接接头间距等。焊接工艺参数包括焊接方法、焊丝焊剂、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接保护气体以及预热后热温度等。
2.2仿真模型设计
仿真模型的设计需要使用OpenGL软件，该软件可以对各种仿真环境进行静态模型的建立，还可以通过不同功能的函数调用以完成动态仿真的过程。在焊接加工的过程中遇到的常见焊件几何形状都是长方体板材，因此在对其进行建模时要选择长方体建模，焊接接头的选择要根据具体的工件厚度以及焊接工作条件来进行，通常焊接接头根据几何连接方式不同可以划分为四种，分别是对接、搭接、丁接以及角接四种接头。工件建模的核心任务就是以不同的几何参数和不同的接头方式为依据来制定装配尺寸。
在选择坡口形式时，需要综合考虑焊缝的结构形状、厚度、接头形式及使用条件等诸多因素。坡口建模主要采取两种方式，通过焊件几何参数进行智能化的坡口建模，或者通过用户鼠标拾取焊件上的三维坐标点进行手动建模。焊接完成后，最终成型焊接部位的金属就叫做焊缝。
2.3焊接过程仿真
通过对焊件和焊接工艺参数的计算，得出焊缝的横截面尺寸参数，然后将尺寸参数转换成曲线的控制点坐标，最后使用双缓存技术将结果进行动态的仿真显示。
2.4仿真结果输出
在仿真完成后，本系统还要对仿真过程中的数据进行分析统计，最后给出本次焊接加工的耗材和工时，以便使用者对焊接过程进行优化。
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作者简介：武大伟（1979.09--）；性别：男，籍贯：辽宁朝阳人，学历：硕士研究生，毕业于沈阳航空航天大学；现有职称：高级工程师；研究方向：航空制造工艺及其数字化；
本论文受科技部重大专项项目资金资助，项目编号2013ZX04001041-09