simufact.welding焊接培训教程-第四章-激光焊

4 束焊（激光焊、电子束焊、离子束焊）

2 目录

4.1新建工程 (3)

4.2导入网格文件 (5)

4.3定义材料 (7)

4.4定义边界条件 (9)

4.5定义节点组 (12)

4.6创建焊接轨迹 (15)

4.6.1定义焊接轨迹 (15)

4.6.2定义焊接参数及热源模型 (16)

4.7设置焊枪与焊枪方向 (18)

4.8仿真设置 (21)

4.9运行计算 (23)

关键词：

激光焊、电子束焊、3D

教程级别：

焊接仿真基础培训、Simufact.welding基础培训。

主要内容：

本章节讲述在Simufact.welding软件的GUI界面中如何进行焊接仿真的设置与计算，特别针对激光焊等束状焊接（beam welding）。

4.1新建工程

打开Simufact.welding，新建一个工程。可以通过点击Project – New – New project来新建，也可以通过快捷键Ctrl+N来操作。

图4.1 新建工程

将工程命名为LASER-Tutorial，然后指定该工程保存的路径地址，点击OK完成操作。请将路径设置在一个容易记忆的位置，方便日后的调用和查看。（注：存放路径及工程名称中不可含有中文）

图4.2 新命名–输入工程名，指定存放路径

接下来，就是一个初始化界面。在这个界面中，可以指定焊接件、边界支撑、边界固定、边界夹持、焊枪的个数，还有一些其他参数的设定。

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所有的这些参数，在进入主界面之后，都是可以返回来重新修改的。这个界面的意义，在于让用户在进行焊接仿真计算之前，就对自己所要分析的项目有个清晰的认识，包括仿真的目的，仿真涉及的工件和边界条件等等。

在界面下方，有一个交互式的帮助窗口，当鼠标指针滑过某个指令或者参数时，帮助窗口内会显示相应的帮助信息来对该条目进行解释，方便用户理解（按住Ctrl能够锁定帮助信息）。

图4.3 初始化界面–选择各组件的初始化数目

请在初始化界面中定义以下参数的数目：

●环境温度Ambient temperature：20℃。

●重力方向Gravity：z = -1。

●对称设置Use symmetry plane：不必勾选。

●焊接件Components：2。

●边界支撑：1。

●边界固定：0。

●边界夹持：6。

●焊前点固：0。

●焊枪：1。

此外，你可以在右侧的Description栏中输入任何你想做的标注和说明，这些对仿真的计算过程和结果都是没有任何影响的。

点击OK确认之后，将进入主界面。所有在初始化界面中预定义好的各组件数目都自动地在进程树中生成了。这就是软件的GUI界面。

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5 图4.4 主界面–软件的GUI界面

主界面可以分成6块区域：

● 1. 主菜单/工具栏：保存、编辑、修改、查看等等命令。

● 2. 进程树Explorer：当前工程中包含的所有进程（也许不止一个进程）。

● 3. 备用区Catalog：所有可用的资源库。

● 4. 可视化窗口：前后处理显示界面，可以进行平移、转动、缩放和选取等操作。

● 5. 属性Properties：显示所选项的属性。

● 6. 状态显示栏：查看当前仿真进行的程度及启动/停止按钮。

4.2导入网格文件

完成上述的初始化之后，就可以导入网格模型了。焊接件网格是仿真的基本要素，夹具的作用位置以及焊接轨迹的选择都依赖于焊接件的网格模型。

Simufact.welding软件允许用户一次性导入多个网格模型文件，在备用区，鼠标右键单击Geometries，定位到网格模型的存放路径，或者直接导入Library库中的相应模型。

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图4.5 导入网格模型

支持导入的网格模型文件类型包括三种：

● *.arc ：Simufact 的网格文件格式。

● *.spr ：Simufact 包含计算结果的网格文件格式。

● *.bdf ：NASTRAN 的网格文件格式。（通用标准格式）

在本教程中。我们将一次性导入五个文件：bearingplate_m.bdf 、crossclamp1_m.bdf 、crossclamp2_m.bdf 、plate1_m.bdf 、plate2_m.bdf 。在导入过程中，会出现以下界面：

图4.6 导入网格模型 – 选择正确的导入单位

导入时的单位选择是很重要的。单位的选择取决于在CAD 软件或网格划分软件中模型文件的设置。当然，导入之后我们可以使用测量工具来检查模型的单位是否正确，如若发生错误，可以在备用区双击模型，

修改导入单位来进行纠正。在本案例中，导入单位

选择Meter，勾选上Use for all geometries选项。在后续弹出的对话框中，点击Import 导入，即可。

导入的模型存放在备用区Catalog的模型Geometries区。接下来，只需要将备用区的模型赋予到仿真进程中，完成定义。鼠标左键选中，按住拖拽入相应的Component区域，释放鼠标，在可视化窗口中能够实时显示模型的相对位置。

图4.7 可视化窗口–实时显示导入的模型之间的相对位置

以下命令可以对模型进行操作：

●左键：选择

●按住左键拖动：平移

●右键：操作菜单

●按住右键拖动：旋转

●滚轮：缩放

以上五个操作是非常重要的，在接下来的定义过程中，会经常使用这些指令，还希望用户能够先花一些时间多多练习，熟练掌握这几个基本操作。

4.3定义材料

Simufact软件的材料库，是一个独立并且丰富的材料库。包含了各种材料的力学性能、热力学性能和电阻特性等等。用户可以查看、编辑、修改、保存等等，所有的数据都可以在图表中进行直观显示。

鼠标右键点击备用区的Materials，选择材料库Library：

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图4.8 材料库 – 软件包含了丰富的材料库

在本案例中，我们选择X5CrNi18-10-sw 作为焊接件的材料。在材料库中，找到该种材料，点击OK 导入。这种材料就导入到了备用区的Materials 中。

图4.9 材料库 – 筛选

将备用区的材料，选中并拖拽入进程树的两个焊接件component 中，释放，完成定义。

Simufact.welding 软件可以使用单相成分和多相成分的材料模型来做热弹塑性计算，材

料库中所有包含MPM 后缀的均表示该材料包含多相成分数据，而SPM 后缀的则表示

只包含单相成分数据。

是否需要选择多相或单相成分的材料模型，对仿真来说是至关重要的，否则将可能导

致错误的仿真结果。选择一个多相的材料模型，会影响到焊接及冷却的整个过程，并

不仅仅关系到一个结果，而是整个过程。详情参考Phasetransformation_en.bdf 。

设置进行到这一步，请确认是否与下图所示的保持一致：

图4.10 赋予材料–焊接件及焊枪应均被赋予材料数据

不必着急，如果不一致，请检查并确认是否在以上的哪一步有所遗漏。最重要的，是要理解并掌握所有这些操作的含义，以便更好地学习，避免出错。

4.4定义边界条件

边界支撑是一种可以被用在任何焊接仿真中的边界条件。并且值得注意的是，在仿真从始至终，都需要保证至少有一个边界条件是存在的。它能够限制模型在一个方向上的运动，可以在一开始的时候进行定义，也可以在软件中手动生成。在Simufact.welding中，共分为四种类型的边界条件。

图4.11 边界条件的种类–支撑、固定、夹持与点固

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●边界支撑：当使用这种类型的边界条件时，接触面的上下节点能够在同一平面上保

存接触状态。在计算中，允许上下节点在接触面上有相对运动；但如果上下节点试图分离，软件设置了一个分离的最低阀值，默认为200kPa。在接触计算中，这个阀值会对计算时间及求解的收敛性有一定的影响。通常，边界支撑用来近似实际夹具中的夹紧。

●边界固定：在与边界固定所接触的节点，6个方向的自由度（3个平动，3个转动）

均被完全固定。任何形式的相对运动和分离都是不可能发生的。但由于它限制了所有的自由度，所以在计算结果中，接触区域附近的应力相对于实际值有所增加，但应变为零。

●边界夹持：当使用外力作用在焊接件上时，可以使用这种边界条件。可以定义一个

刚度和力，来防止节点之间发生相对滑动。一般来说，边界夹持与边界支撑会成对出现。

●点固：在实际工装中，当有一个地方有“胶合”作用，在此次附近会保持节点运动

的一致性。那么在仿真中，用户就可以选择该处网格的节点为“点固”。特别应该指出的是，当电阻焊的过程本身不作为仿真考虑对象的时候，点焊就可以用这种点固的边界条件来模拟。

除了点固，其他所有类型的夹具（边界支撑、边界固定、边界夹持）均可以导入已经准备好的网格模型，或者由simufact.welding来手动创建。通过在进程树中右键单击选择Generate geometry来生成：

图4.12 手动生成边界条件–由外表面来拖拽出边界条件

接下来，弹出的窗口是用于控制手动生成的边界条件的形状及位置的。用户可以选择两种形状：圆柱形和长方体。选择select location来自动匹配到外表面上，然后单击并拖拽出来。

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图4.13 手动生成 – 创建简单边界条件

通过平移、旋转、缩放以及视图的变化来完成四个边界条件的手动生成。

图4.14 视图工具栏 – 调整模型视角

图4.15 生成四个边界夹持 – 调整合适的视角至关重要

12 除了位置之外，边界夹持还需要定义夹持力与夹持方向，在进程树中双击对应的clamping ，将holding force 改成500N ，单击OK 确认。

随后，依次修改后面三个clamping 的夹持力，确保四个手动生成的边界夹持作用力均为500N 。

图4.16 夹持力定义

在这里，由于进程树还未填满，process 和Robot 的显示还是红色的，所以还无法运行当前进程，我们需要在接下来的设置完成后，才可以进行点击.dat 文件的保存按钮。

4.5 定义节点组

在simufact.welding 软件中，一个节点组就是指一组记录着X/Y/Z 绝对坐标值的节点。节点位置的选择是依据有限元网格模型。节点组内，点的顺序问题是可以作为焊接路径的轨迹对象。

用户有两种选择来定义一个节点组：一是直接从.CSV 文件导入；一是通过在屏幕上拾取节点来定义。拾取时，应调整模型到适当位置，便于正确选取节点，两节点之间的路径是线性插值的，所以有时为了创建一个平滑的过渡，需要选择足够多的点来近似。如果一个节点集被用来产生一个焊接路径，该路径的坐标可以由各节点的坐标值来控制。 在备用区中，鼠标右键点击Sets ，选择创建新节点组New node set 。用户可以在屏幕右侧的图形显示窗口进行节点的选择。

用户在定义夹持力时，夹持的方向也相应地能够由软件自动计算，并且可以在GUI 的

图形界面中进行显示。其方向是由软件自动判断的垂直于接触面的方向。点击.dat 文件

生成的保存按钮，即可显示该方向箭头。

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图4.17 创建节点组 – 直接选取来创建节点组

按住Ctrl 的同时，选择节点。在本案例中，用户只需要选择两个点，即可完成操作。

图4.18 依次选择两个节点

在节点组的选取窗口中，各条目的详细解释如下所示：

次序Sequence ：这是极为重要的，节点选取的先后将决定焊接路径的方向；

在创建节点组时，节点的先后顺序是非常重要的。Simufact.welding 在焊缝路径的计算

时是通过相邻轨迹点的线性插值来定义的。所以节点先后顺序将直接影响到焊接方向

的正确性。

在多个节点组的创建过程中，为了节省时间，可以通过点击节点组选取窗口下方的

Apply changes to node set 和Create new node set 来连续操作，不必重复返回。

●模型Geometry：显示了当前选取的节点位于哪个模型上。当模型数量众多并且互

相靠近时，这是一项需要注意的信息；

●编号ID：所选取节点在模型中的编号；

●坐标值Coordinates：所选节点的绝对坐标系数值。

图4.19 节点组选取

创建节点完毕后，就可以关闭右侧的节点选择窗口，并对节点组进行重命名。

图4.20 重命名节点组

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4.6创建焊接轨迹

所谓焊接轨迹，就是指有附加信息的焊接路径。

对于本案例所述的激光焊接，我们只需要鼠标右键点击Trajectories，进行轨迹的创建和定义。

图4.21 创建焊接轨迹–通过节点组来完成定义

4.6.1定义焊接轨迹

定义一条焊接轨迹，有多种选择：

●新建New：一条空白的新焊接轨迹；

●导入Import：通过导入.CSV文件的数据点来创建一条新轨迹；

●从节点组创建From node set…：通过已经定义好的节点组来创建一条新轨迹；

●库Library：从库中已有的轨迹导入，与Import选项类似。

由于我们在前面已经完成了节点组的创建，所以在这里，我们只需要通过选择From node set…来创建新的焊接轨迹。

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图4.22 从节点组创建焊接轨迹

4.6.2 定义焊接参数及热源模型

焊接参数welding parameters 是用来定义焊接参数和计算方法的。用户有瞬时（间接功率），瞬时（直接功率）和热循环三个选择。

在本案例中，我们使用间接功率输入：

● 焊接速度Velocity ：70mm/s ；

● 电流Current ：300A ；

● 电压Voltage ：18V ；

● 效率Efficiency ：0.59。

图4.23 焊接参数 – 焊接速度、电流、电压、热效率

热源模型，是用来模拟真实焊接的一个近似。用户可以选择双椭球热源来模拟弧焊，选择圆柱状热源来模拟束焊。在本案例中，我们选择Laser 热源。

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图4.24 束状热源 – 双圆柱热源模型

通过设置不同的热源尺寸，来模拟不同的焊接过程。我们可以从焊接试验的金相照片中，获得这些参数。当然，simufact.welding 软件本身也提供了一些近似的公式，来估算这些参数。在安装路径下的infosheet 中可以找到相应的文件说明。对于本案例，输入参数为：

● 圆柱半径Cylinder radius ：0.75mm ；

● 圆柱深度Cylinder depth ：1.8mm ；

● 圆柱体热占比：0.96；

● 表面半径：3mm ；

● 表面深度：0.5mm 。

图4.25 热源参数

核对正确之后，点击OK 关闭，并保存进程。

4.7设置焊枪与焊枪方向

Robot就是用来模拟焊接过程中的焊接动作。有四种对象需要指定：温度，材料，轨迹和焊接参数。在Robot选项内，有时还需要补充焊丝（填充单元），填充单元可以软件生成也可以从外部导入。

首先，将焊接轨迹拖拽入进程树中的Robot选项下。同时，在右侧的图形显示窗口就可以实时看到该轨迹的位置。

图4.26 焊接轨迹的指定

双击Robot选项，就可以打开一个设置窗口，对该焊枪下的所有焊接路径进行设置：

图4.27 焊枪设定–列出了该焊枪下的所有焊接轨迹

在第一个选项卡中，用户可以看到该焊枪下的所有焊接轨迹，以及它们的先后顺序。轨迹的先后顺序可以通过鼠标点击拖拽的方式，来调整它们的先后顺序，或者直接右键点击一次性反转所有轨迹的前后位置。

第一个选项卡下方，分为三大块参数设置窗口：

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19 图4.28 焊枪通用设置

●焊枪设定Robot settings：可以定义整个焊枪作用的起始时间，这将导致该焊枪中

包含的所有焊接轨迹的延后。

●轨迹时间设定Selected trajectory。

?Pause（start）：通过设置该项时间，来暂缓焊接热输入的作用（可以看作实际

焊接中的保护气作用时间）。

?Lead time：通过设置该项时间，焊接电弧作用中，热输入在发生作用，但是焊

枪并未发生移动（可以看作是起弧阶段）。

?Follow-up time：通过设置该项时间，焊接电弧作用中，热输入在发生作用，但

是焊枪已经移动到尾端静止（可以看作是收弧阶段）。

?Pause（end）：通过设置该项时间，来模拟没有热输入，焊枪未发生移动的结

束时刻（可以看作是收尾阶段）。

●焊接参数welding parameter。

?Specification：计算方式。

?Velocity：焊接速度。

?Power：输入能量。

?Efficiency：热效率。

在所有的非焊接时间里，工件内部会发生细微的冷却相变过程，相变程度取决于焊接轨迹的数目，所有这些过程都将最终影响到结果的准确性。

在本案例中，所有这些设置均为默认的0。

在第二个选项卡Trajectories中，用户可以通过两个选项来调整所有焊接轨迹的焊枪指向。焊枪指向的判断，是根据所选择的焊接轨迹来判断，在局部坐标系下的正交外角平分线。因此，焊接轨迹和工件在焊接轨迹附近的网格质量都会对角平分线的判断产生很大影响。在本案例中，只需要将两个选项打勾，即可。

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图4.29 焊枪指向 – 局部坐标下自动调整焊枪角度

虽然在本案例中，只需要打开Projection on surface 选项和Orientation 选项就可以完成焊枪指向的调整。但值得一提的是，Simufact.welding 开发了一个强大的引擎，能够完成复杂截面形态的指向调整。例如，由于某种原因，有一个节点位置的方向需要进行手动调整，那么打开Repair single points 选项即可完成任意角度的修正。

Schematic view – Trajectory 窗口能够显示当前数据点的工件界面以及焊枪指向的示意图，用于调整焊枪指向过程中的参考，它能够实时显示当前调整后的焊枪指向位置。

图4.30 焊枪指向二维示意图

在第三个选项卡中，用户可以设置焊接轨迹对应的焊缝填充单元。这个填充单元，是可以从外部导入，然后分配给相对应的焊接轨迹的，当然也可以通过指定焊脚、焊高等参数来自动生成。焊缝填充单元的自动生成依赖于焊接轨迹附近网格与几何模型的质量。不过在本案例中，由于没有焊缝填充单元，因此不需要进行设置。

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图4.31 填充单元指定 – 可以外部导入也可以自动生成

好了。到这一步为止，焊接仿真所需要的参数和组件都已经设置完毕。

4.8 仿真设置

用户可以通过双击进程树中的求解器设置Solver 来对仿真求解中的一些参数进行设置。

图4.32 求解器设置 – 用户可以根据需要修改求解器的相关设置

对于激光焊而言，我们必须考虑材料相变对结果的影响，因此我们需要激活相变计算phase transformation 选项。

用户还可以使用DDM （Domain Decomposition Method ）来发挥计算机的多核计算能力。这种方法能够帮助用户提高计算效率，减少求解总时间。当然，首先需要正确安装Intel TM MPI Library 服务，此外，还需要一个支持DDM 运算的软件license 。

此外，如果需要打开相变计算的选项，那么这种相对应的材料模型里必须包含有CCT

和TTT 曲线的数据。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sbse.html