CN104985298A - 一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法，包括根据旋转电弧低合金结构钢焊接温度场焊接条件，选取实验板，采用热电偶测量焊接热循环参数；针对具体情况建模及网格划分；确定模型热学边界条件；计算旋转电弧热源模型，提取其横截面状态并与实测横截面进行对比，通过微调降低两者误差，将边界条件及热源模型施加到旋转电弧低合金结构钢焊接模拟分析中，计算温度场并提取焊接热循环参数，完成旋转电弧低合金结构钢低角度焊接温度场的预测。本发明采用建立在少量工艺试验基础上的数值模拟技术，实现对旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场定量分析与模拟，减少试验成本及工作量，对旋转电弧焊接的发展应用具有指导意义。

Description

一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法

技术领域

本发明属于焊接自动控制设备技术领域，具体涉及一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法。

背景技术

焊接生产是现代工业中的重要加工环节，智能化焊接过程控制系统是提高劳动生产率、提高焊接质量、改善劳动条件的重要手段。旋转电弧焊接也因其种种优点，已在各行业大范围应用，但是在除平焊以外的其他位置的旋转焊接时，熔池中液态金属将在外力特别是重力的作用下将往不同于平焊时的方向流淌，焊炬旋转到不同的焊接位置时，熔池液态金属所受的力对焊缝成形所起的作用也不完全相同，并且是不断改变的，导致产生一些焊接缺陷，造成一些损失。深入研究不同焊接位置的温度场可了解熔池变形和应力变形，同时也能为焊缝跟踪提供理论依据。

采用数值模拟的方法仅需通过少量的试验来验证数值方法在处理某一问题上的适用性，得出的以确定理论解的可用性和准确度的分析结果还可为今后的深入研究提供有力的理论依据，SYSWELD除了能够根据场函数的需要疏密有致地布置节点外，还能与大容量的电子计算机相结合。因此本文以该有限元计算软件为平台进行分析，结合实际焊接实验，对低合金结构钢的旋转电弧CO₂气体保护焊中的上坡、水平、下坡的焊接过程进行数值模拟。通过分析焊接过程中的温度场变化，以及研究这种变化产生的原因，得出的结论可为评定和优化焊接工艺奠定了基础。

发明内容

为提高旋转电弧C0₂焊焊缝自动跟踪系统的稳定性与跟踪精度,研究焊接位姿对温度场的影响。结合低合金结构钢的旋转电弧C0₂焊不同焊接位姿的实际焊接工艺参数和实际结果，基于有限元软件SYSWELD对其温度场进行三维动态模拟。应用该软件对热源进行校正，分析相应的瞬态温度分布图和特征点的热循环曲线。模拟结果与实际结果基本一致，所建立的数值模拟仿真模型可以较为真实的反应温度场的变化，为实现焊接过程中的应力、应变等分析提供了理论依据，也为焊缝跟踪的新算法提供了前提条件。

为实现上述目的，本发明预测旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的方法,其步骤包括：

(1)确定旋转电弧低合金结构钢的工艺参数、材料的物理性能、焊接环境，分析这些因素的焊接过程及焊接结果的影响；

(2)根据上述焊接条件选取平板状的实验板，根据实验条件确定实验板的长度和宽度；对实验板进行焊接，采用热电偶背面打孔法对实验板焊接过程中热影响区进行测温，并用电脑记录测温位置和测温结果；

(3)利用网格划分软件Visual Mesh对实验板进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格；

(4)设定实验板模型的热输入条件；利用焊接有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，以双椭球形热源模型模拟焊接热源；设定实验板模型的散热边界条件和边界约束条件；

(5)计算实验板模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

(6)将步骤5得到的实验板模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤2得到的实验板实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为两者误差小于10％，则记录上述模拟过程中实验板模型的热学边界条件，否则，对热源参数及焊接速度与热效率进行微调后，返回步骤4，直到两者误差小于10％为止；

(7)将上述确定的实验板模型的热边界条件等条件施加到小角度的数值模拟的分析中，从而计算小角度的焊接温度场,至此，完成旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的预测。

本发明的有益效果是：利用焊接有限元分析软件SYSWELD对焊接过程进行数值模拟，减少了焊接工艺试验的工作量，降低了实验成本，为实现焊接过程中的应力、应变等分析提供了理论依据，也为焊缝跟踪的新算法提供了前提条件。

附图说明

图1为本发明预测旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的方法流程图。

图2为本发明实施例中实验板的焊接温度场的实验结果。

图3为本发明实施例中实验板的焊接温度场的计算结果。

图4为本发明实施例中实验板上坡焊的焊接温度场的计算结果。

图5为本发明实施例中实验板上坡焊的焊接温度场的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述,但不限定本发明。

本发明提供的一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法，如图1所示，其步骤包括：

(1)确定旋转电弧低合金结构钢的工艺参数、材料的物理性能、焊接环境，分析这些因素的焊接过程及焊接结果的影响；

(2)根据上述焊接条件选取平板状的实验板，并根据实验条件确定实验板的长度和宽度；

(3)对实验板进行上坡焊、平焊和下坡焊，并采用热电偶背面打孔方式对实验板焊接过程中热影响区进行测温，并用电脑记录测温位置和测温结果；

(4)利用网格划分软件Visual Mesh对实验板进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格，其中，对焊缝及距离焊缝边缘8mm内的近焊缝区域网格划分要细密，为了兼顾效率，特此将其单元长度设置为1mm；因为不是焊接影响较大区域，故对距离焊缝边缘大于8mm外的远焊缝区域网格划分稀疏，单元长度设置为3mm即可；

(5)设定实验板模型的热边界条件；利用焊接有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，焊接数值模拟中常用的高斯热源将电弧热流看作成围绕加热斑点中心的对称分布，从而只需一个参数(加热斑点半径)来描述热流的具体分布。实际上，由于旋转电弧沿焊接方向运动，电弧热流围绕加热斑点中心是不对称分布的，从而不能将旋转的焊丝视为一个点热源。因此采用双椭球形热源分布函数，并以双椭球形热源模型作为热学边界条件；设定实验板模型的散热边界条件；

焊接过程中的热传递过程主要包括：电弧热由工件上表面与工件内的热传导；熔池中存在着的导热以及液态金属的对流传热；熔池外的固态金属的热传导；工件表面与周围介质的对流换热；熔池上表面的蒸发散热和与周围介质的对流换热。焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。假设材料为各向同性。温度T(x，y，z，t)是空间坐标(x,y,z)和时间t的函数，考虑到熔池中液态金属流动等情况下，区域中的任意点应满足能量守恒方程：

$\mathrm{\ρ}c\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+\stackrel{\‾}{Q}$

式中：T为温度；c为材料的定压比热容；λ为材料的热导率；ρ为材料的密度；t为传热时间；是内热源强度。其中c、λ和ρ都是温度的函数。经实验结论，将换热系数取为3W/㎡℃。

(6)计算实验板模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

(7)将步骤六得到的实验板模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤三得到的实验板实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为实验板模型热影响区模拟热循环参数与实测实验板热循环参数误差小于10％，则记录上述模拟过程中实验板模型的热学边界条件，否则，对热源参数及焊接速度与热效率进行微调后，返回步骤五，直到实验板模型热影响区模拟热循环参数与实测实验板热循环参数误差小于10％为止；至此，完成旋转电弧低合金结构钢不同焊接位姿温度场的预测；

(8)将上述确定的实验板模型的热边界条件施加到其他焊接位姿的数值模拟的分析中(如上坡焊、下坡焊)，从而计算其他焊接位姿的焊接温度场。至此，完成旋转电弧低合金结构钢不同焊接位姿温度场的预测。

实施例1：

下面对本发明的实施例做详细说明：本发明采用的焊接方法为旋转电弧C0₂焊，测温方式为采用热电偶背面打孔方式测温。选用S355J2G3低合金结构钢为实验材料。该材料固相线温度为1440℃，液相线温度为1505℃，相变潜热为270000J/kg。焊件尺寸为100mm×100mm×5mm。选用德国产PHOENIX300焊机对母材进行旋转电弧CO₂气体保护焊平板堆焊实验，热效率取0.75，焊接坡度为5°，焊接工艺参数如表1所示。采用铂铑30-铂铑6热电偶测量热循环曲线，并通过SBW-O-1300温度送变器传输到装有法国ESI公司SYSYWELD软件的计算机，得到瞬态热循环曲线。

表1焊接工艺参数的设置

图2为本发明实施例中实验板的焊接温度场的实验结果，图3为本发明实施例中实验板的焊接温度场的计算结果，通过两者对比可发现实测结果值与计算结果值吻合较好，虽然两者间有一定的偏差，这是因为实验中用的热电偶测量的是面的温度，而模拟结果显示的是热电偶中心部分的温度。

将利用实验参数修正的结果应用到坡口为5°的上坡焊上试焊，得到图4所示的计算结果，图5为实验结果。

Claims (3)

1.一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法，其特征在于实施步骤如下：

（1）确定旋转电弧低合金结构钢的工艺参数、材料的物理性能、焊接环境，分析这些因素的焊接过程及焊接结果的影响；

（2）根据上述焊接条件选取平板状的实验板，根据实验条件确定实验板的长度和宽度；对实验板进行焊接，采用热电偶背面打孔法对实验板焊接过程中热影响区进行测温，并用电脑记录测温位置和测温结果；

（3）利用网格划分软件Visual Mesh对实验板进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格；

（4）设定实验板模型的热输入条件；利用焊接有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，以双椭球形热源模型模拟焊接热源，设定实验板模型的散热边界条件和边界约束条件；

（5）计算实验板模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

（6）将步骤5得到的实验板模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤2得到的实验板实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为两者误差小于10%，则记录上述模拟过程中实验板模型的热学边界条件，否则，对热源参数及焊接速度与热效率进行微调后，返回步骤4，直到两者误差小于10%为止；

（7）将上述确定的实验板模型的热边界条件等条件施加到小角度的数值模拟的分析中，从而计算小角度的焊接温度场,至此，完成旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的预测。

2.根据权利要求1所述的一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法，其特征在于步骤4中所采用的双椭球型热源模型模拟焊接热源。

3.根据权利要求1所述一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法，其特征在于步骤7中所采用的预测方法。