CN102637235B - 一种多丝埋弧焊数值模拟热源模型参数确定方法 - Google Patents

Abstract

一种多丝埋弧焊数值模拟热源模型参数确定方法。该方法包括：（一）确定多丝埋弧焊焊接过程中热流密度分布函数；（二）热源模型参数初步确定：需要确定的热源模型参数包括U_i、I_i、v、n、、、、、、b_i、c_i、、；（三）热源模型的最终确定：参数确定完成后代入热流密度分布函数，然后作为热学边界条件，利用数值模拟工具进行反复迭代计算，根据每次的计算结果与实际焊接得到的接头熔池形状对比，对热源模型参数b_i、c_i、、按照对比结果以5%的幅度进行逐步调整，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深、熔宽误差小于10%为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。

Description

一种多丝埋弧焊数值模拟热源模型参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种多丝埋弧直缝焊管温度场数值模拟计算方法，提出一种结合生产工艺快速确定多丝埋弧焊热源模型参数的方法，具体用于多丝埋弧焊接热过程的快速计算，亦可通过数值模拟结果评估焊接工艺，在工程应用中具有重要的作用。

背景技术

多丝埋弧焊接技术是直缝焊管生产中的关键技术，焊接工艺参数的优化与控制不仅是影响焊接接头性能的关键因素，也是影响焊管制造成本和提高生产效率的重要因素，近年来随着计算机技术及有限元数值模拟技术的飞速发展，为采用工艺试验与理论数值模拟技术结合方式实现焊接工艺过程定量分析计算及预测提供强有力手段。

目前，考虑熔化焊过程描述焊接热源最合理的模型是体热源的双椭球固体热传导模型，即考虑焊接熔池形状是一种双椭球形状的内部体热源，以此热源模拟计算的熔池形状和温度场与试验结果符合较好。因此选择该热源模型描述单丝埋弧焊热源过程。

多丝埋弧焊过程的热源可采用多个双椭球热源模型同时叠加来建立(复合的热源模型)，如三丝埋弧焊的热源需要建立三个双椭球热源模型，确定12个形状参数；四丝埋弧焊的热源模型需要建立四个双椭球热源模型，确定16个形状参数，这样为了确定这些热源模型，则需要进行大量的数值计算和优化分析。

对于多丝埋弧焊接过程的数值模拟，国内外的文献很少，对于多丝埋弧焊中热源模型的确定及热源模型参数的确定的探讨则更少。虽然利用加速步长法结合实际温度场的测量可以反演其热源模型参数，但需要做大量的模拟对比分析，直至其与实际测量值误差最小，限制了其在工程实践中的应用。

发明内容

本发明目的是为了更好地利用有限元软件分析多丝埋弧直缝焊接热过程的变化，解决多丝埋弧焊热源模型中热源参数难以确定的问题，提供一种多丝埋弧焊热源参数确定方法。本发明针对多丝埋弧焊接过程的热源模型，提出了结合工艺规范确定其热源模型参数的方法，不仅显著降低计算时间，熔池模拟结果和接头熔池形貌吻合良好，还可以为焊接工艺的优化提供指导性意见。

本发明提供的多丝埋弧焊热源模型参数确定方法，包括以下步骤：(一)依多丝埋弧生产工艺特点确定焊接过程中热流密度分布函数q(x，y，z，t)；(二)热源模型参数确定：需要确定的热源参数包括U_i、I_i、v、n、τ_i、η_i、α_i、b_i、c_i、(三)热源模型的最终确定：热源模型参数确定完成后，将热源模型参数代入热流密度分布函数q(x，y，z，t)，然后用该函数作为数值模拟计算的热学边界条件，利用数值模拟工具进行反复迭代计算，根据每次的计算结果与实际焊接得到的接头熔池形状对比，对热源模型参数b_i、c_i、按照对比结果以5％的幅度进行逐步调整，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深、熔宽误差小于10％为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。

具体确定方法是：

第1、将每个焊丝处理成一个独立的热源，热源形状采用双椭球模型；考虑到实际焊接过程中不同焊丝间电弧和倾角对熔池深度和长度的影响，对单个焊丝对应的双椭球模型进行修改，热流密度由多个焊丝共同叠加作用形成，确定其焊接过程中热流密度分布函数公式如下：

$q(x,y,z,t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{6\sqrt{3}{f}_{f_i\mathrm{bi}}{\mathrm{\η}}_i{U}_i{I}_i}{a_{\left(f_i{b}_i\right)}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp \{-3[\left(\frac{x^2}{{b_i}^2}\right)+\left(\frac{{(y+v({\mathrm{\τ}}_i-t)}^2}{{\left(\frac{a_{(f_i,b_i)}}{\cos {\mathrm{\α}}_i}\right)}^2}\right)+\left(\frac{z^2}{{\left(\frac{c_i}{\cos {\mathrm{\α}}_i}\right)}^2}\right)\left]\right\}---\left(1\right)$

式中：q(x，y，z，t)为位置(x，y，z)在t时刻的热流密度，式中各参数释义如下表所示；

参数释义表

第2、热源模型参数确定

第2.1、参数U_i、I_i、v、n、α_i通过焊接工艺直接确定，τ_i通过公式S_i/v计算得到，其中S_i为第i根焊丝与第1根焊丝之间的距离，η_i为埋弧焊的热效率，一般取0.85～0.9之间；

第2.2、参数b_i、c_i、的确定，为了工程应用上方便快捷的确定多丝埋弧焊双椭球热源模型参数，将焊丝的电压、电流对熔深、熔宽的影响看成是一种近似的线性关系，这样：

$\frac{U_1}{b_1}=\frac{U_2}{b_2}=...=\frac{U_n}{b_n};$ $\frac{I_1}{c_1}=\frac{I_2}{c_2}=...=\frac{I_n}{c_n}---\left(2\right)$

通过对一组多丝埋弧焊焊缝宏观金相样的几何尺寸测量，获得该组各金相样熔池的熔宽、熔深数据并取其平均值分别记为：B，C；

根据多丝埋弧焊工艺特点，U_n＞U_n-1＞…＞U₁故取b_n＝B/2；I₁＞I₂＞…＞I_n，故取c₁＝C；再通过公式(2)确定b_i，c_i；热源模型长度方向参数通过经验公式 确定；

第2.3、为第i根焊丝的双椭球热源前后半椭球的能量分配系数，且 $f_{f_i}+f_{b_i}=2,$ 对于埋弧焊工艺，一般取 $f_{b_i}=1.2:1;$

第3、各参数确定后，代入焊接热流密度分布函数q(x，y，z，t)，作为数值模拟计算的热学边界条件；

第4、散热边界条件设定，焊接过程中热量散失主要通过热辐射和对流换热方式进行，高温下散失的热量以辐射换热为主，低温则以对流换热为主，埋弧焊对流换热过程中周围介质有埋弧焊焊剂和空气两种，查阅资料确定钢铁材料与大气的对流换热系数一般取为25W/m²℃，管线钢覆盖埋弧焊剂与大气对流换热系数尚无资料报道，本计算过程采用反演法逆推换热系数，最终确定换热系数为2～3W/m²℃，焊剂作用区域根据实际焊接过程埋弧焊焊剂覆盖范围和时间确定；

第5、装卡边界条件设定，在几何模型端面选取不在一条直线上的三点，分别记为点1、点2、点3，点1施加X，Y，Z方向约束；点2施加X，Z方向约束；点3施加Y方向约束；

第6、利用商业化有限元软件对焊接结构进行几何建模和网格划分；

第7、将确定好装卡边界条件、散热边界条件、及初步确定热源模型参数的热源模型加载到划分好网格的焊接结构上，计算温度场；

第8、把首次得到的温度场和实际测量得到的温度场进行比对后，对加载的网格模型及热源模型参数进行逐步调整，调节方式：加大近焊缝区网格密度来提高计算精度，以5％的幅度增大或减小第i根焊丝比例来调节双椭球的能量分配比例，这个步骤反复多次进行，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深，熔宽误差小于10％为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。

本发明的优点和积极效果：

本发明给出了结合工艺参数确定多丝埋弧焊热源模型参数的方法，具有以下优势：

1)初步建立了焊接工艺与热源模型参数之间的关系，操作简便易行。

2)提高了数值模拟计算效率，极大降低热源模型参数反演的次数和时间，熟练掌握后可将确定参数时间控制在一小时以内。

3)当确定热源模型参数后可以考虑焊接工艺变化对热源模型参数变化的影响，从而从数值模拟角度预测实际多丝埋弧焊接热过程的变化，从而为焊接工艺的优化提供指导。

附图说明

图1计算流程图；

图2实际焊缝截面与计算焊缝截面对比。

具体实施方式

实施例：

第一步：确定热源模型参数U_i、I_i、v、n、α_i、τ_i、η_i

焊接规范参数表

由焊接规范直接确定U_i，I_i，v，n，α_i，τ_i通过公式S_i/v计算得到，其中S_i为i丝与1丝之间的距离，考虑工况条件的影响，η_i为埋弧焊的热效率，在本实施例中取0.9。

位置(x，y，z)在t时刻的热流密度为：

$q(x,y,z,t)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{6\sqrt{3}{f}_{f_i,\mathrm{bi}}{\mathrm{\η}}_i{U}_i{I}_i}{a_{(f_i,b_i)}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp \{-3[\left(\frac{x^2}{{b_i}^2}\right)+\left(\frac{{(y+v({\mathrm{\τ}}_i-t)}^2}{{\left(\frac{a_{(f_i,b_i)}}{\cos {\mathrm{\α}}_i}\right)}^2}\right)+\left(\frac{z^2}{{\left(\frac{c_i}{\cos {\mathrm{\α}}_i}\right)}^2}\right)\left]\right\}$

第二步：热源模型参数b_i、c_i确定

对所得熔池进行形貌测量，测得熔宽B＝22.6，熔深C＝14.0；

确定比例关系如下：

$\frac{U_1}{b_1}=\frac{U_2}{b_2}=\frac{U_3}{b_3}=\frac{U_4}{b_4},$ $\frac{I_1}{c_1}=\frac{I_2}{c_2}=\frac{I_3}{c_3}=\frac{I_4}{c_4}$

故取b₄＝B/2＝11.3，c₁＝C＝14.0，通过以上关系可以确定b_i，c_i，确定热源模型参数列表如下：

热源模型参数表

第三步：为第i根焊丝的双椭球热源前后半椭球的能量分配系数，且 $f_{f_i}+f_{b_i}=2,$ 本实施例取 $f_{b_i}=1.2:1.$

第四步：参数确定后，将确定完参数之后的焊接热流密度分布函数q(x，y，z，t)，作为数值模拟计算过程的热学边界条件；

第五步：利用商业化网格划分软件(Visual mesh)对焊接结构进行几何建模和网格划分；

第六步：设定散热边界条件：焊接过程中热量散失主要通过热辐射和对流换热方式进行，高温下散失的热量以辐射换热为主，低温则以对流换热为主。埋弧焊对流换热过程中周围介质有埋弧焊焊剂和空气两种。查阅资料确定钢铁材料与大气的对流换热系数可取为25W/m²℃，管线钢覆盖埋弧焊剂与大气对流换热系数尚无资料报道，本计算过程采用反演法逆推其换热系数，最终确定换热系数为2～3W/m²℃。焊剂作用区域根据实际焊接过程埋弧焊焊剂覆盖范围和时间确定，本实施例焊缝中心左右宽度方向各取30mm；

第七步：装卡边界条件(在几何模型端面选取不在一条直线上三点，分别记为点1、点2、点3，点1施加X，Y，Z方向约束；点2施加X，Z方向约束；点3施加Y方向约束)。

第八步：将确定好装卡边界条件、散热边界条件，及初步确定热源模型参数的热源模型加载到划分好网格的焊接结构上，计算温度场；

第九步：把首次得到的温度场和实际测量得到的对应测温点的热循环曲线进行比对后，对加载的六面体八节点网格模型及热源模型参数以5％的幅度进行逐步调整，如加大近焊缝区网格密度来提高计算精度，以5％的幅度增大或减小第i根焊丝比例来调节双椭球的能量分配比例，这个步骤反复多次进行，直到模拟熔池的熔深，熔宽参数与实际接头熔深，熔宽误差小于10％为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。

Claims (1)

1.一种多丝埋弧焊数值模拟热源模型参数确定方法，其特征包括以下步骤:

（一）依多丝埋弧生产工艺特点确定焊接过程中热流密度分布函数                                                ；

（二）热源模型参数确定：需要确定的热源参数包括U_i、I_i、v、n、、、、、、b_i、c_i、、；热源模型参数确定的具体方法是：

第1、将每个焊丝处理成一个独立的热源，热源形状采用双椭球模型；考虑到实际焊接过程中不同焊丝间电弧和倾角对熔池深度和长度的影响，对单个焊丝对应的双椭球模型进行修改，热流密度由多个焊丝共同叠加作用形成，确定焊接过程中热流密度分布函数公式如下：

   (1)

式中：为位置(x,y,z)在t时刻的热流密度，式中各参数释义如下表所示；

参数释义表

 

第2、热源模型参数确定

第2.1、参数U_i、I_i、v、n、通过焊接工艺直接确定，通过公式S_i/v计算得到，其中S_i为第i根焊丝与第1根焊丝之间的距离，为埋弧焊的热效率，取0.85~0.9之间；

第2.2、参数b_i、c_i、、的确定，为了工程应用上方便快捷的确定多丝埋弧焊双椭球热源模型参数，将焊丝的电压、电流对熔深、熔宽的影响看成是一种近似的线性关系，这样：

 ；                              (2)

通过对一组多丝埋弧焊焊缝宏观金相样的几何尺寸测量，获得该组各金相样熔池的熔宽、熔深数据并取其平均值分别记为：B，C；

根据多丝埋弧焊工艺特点，U_n>U_n-1>…>U₁故取b_n=B/2；I₁>I₂>…>I_n,故取 c₁=C；再通过公式（2）确定b_i，c_i；热源模型长度方向参数，通过经验公式 确定；

第2.3、、 为第i根焊丝的双椭球热源前后半椭球的能量分配系数，且，对于埋弧焊工艺，取:=1.2：1；

第3、各参数确定后，代入焊接热流密度分布函数，作为数值模拟计算的热学边界条件；   

第4、散热边界条件设定：埋弧焊对流换热过程中周围介质有埋弧焊焊剂和空气两种，钢铁材料与大气的对流换热系数取为25W/m^2 oC，本计算过程采用反演法逆推换热系数，最终确定换热系数为2～3W/m^2 oC，焊剂作用区域根据实际焊接过程埋弧焊焊剂覆盖范围和时间确定；

第5、装卡边界条件设定，在几何模型端面选取不在一条直线上的三点，分别记为点1、点2、点3，点1施加X，Y，Ｚ方向约束;点2施加X，Z方向约束；点3施加Y方向约束；

第6、利用商业化有限元软件对焊接结构进行几何建模和网格划分；

第7、将确定好装卡边界条件、散热边界条件、及初步确定热源模型参数的热源模型加载到划分好网格的焊接结构上，计算温度场；

第8、把首次得到的温度场和实际测量得到的温度场进行比对后，对加载的网格模型及热源模型参数进行逐步调整，调节方式：加大近焊缝区网格密度来提高计算精度，以5%的幅度增大或减小第i根焊丝、 比例来调节双椭球的能量分配比例，这个步骤反复多次进行，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深，熔宽误差小于10%为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定；

（三）热源模型的最终确定：热源模型参数确定完成后，将热源模型参数代入热流密度分布函数，然后用该函数作为数值模拟计算的热学边界条件，利用数值模拟工具进行反复迭代计算，根据每次的计算结果与实际焊接得到的接头熔池形状对比，对热源模型参数b_i、c_i、、按照对比结果以5%的幅度进行逐步调整，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深、熔宽误差小于10%为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。