CN106529047A - 一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，包括以下步骤：步骤一：在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，以两个此双椭球热源模型建立双丝模型；衰减函数包括一次函数、指数函数和二次函数；步骤二，分别对采用不同衰减函数的双椭球热源模型参数进行有限元反演，得到相对应模拟的熔池形状；步骤三，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为选择衰减函数的标准，得到最优的串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型。在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，此热源模型不仅可以在熔深、熔宽方面与实际有较好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合线形状。

Description

一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法

技术领域

本发明属于焊接数值模拟热源模型技术领域，具体涉及一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法。

背景技术

埋弧焊作为一种高效率的焊接方法，极大程度的提高了焊接构件的生产效率。而埋弧焊根据焊丝数目不同可分为单丝埋弧焊和多丝埋弧焊，相对单丝埋弧焊，双丝埋弧焊方法具有以下特点。可提高焊接速度30％～40％、焊接质量好、焊丝熔敷率和电流利用率更高。其主要包括多电源串列双丝埋弧焊、单电源并列双丝埋弧焊、单电源串连双丝埋弧焊等。目前的研究主要集中在多电源串列双丝埋弧焊方法上，而针对后两种的研究和应用不是很多。

埋弧焊数值模拟首要解决的问题是埋弧焊热源模型的问题。但焊接热源形式众多，对于双丝埋弧焊，应选择何种热源形式至今没有定论。热源模型的建立是否合适，直接决定着温度场、应力场计算结果的准确性。国内外关于埋弧焊数值模拟的研究大部分采用双椭球热源模型，双椭球热源模型模拟双丝埋弧焊所得熔池形状为单一的椭球形，虽然熔池形状在熔深、熔宽上有较好匹配，但对熔合线形状无法有效控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，衰减函数包括：一次函数、指数函数和二次函数，此热源模型不仅可以在熔深、熔宽方面与实际有较好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合线形状。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，以两个此双椭球热源模型建立双丝模型；

衰减函数包括一次函数、指数函数和二次函数；

以二次函数作为衰减函数的双丝模型热流密度分布函数为：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

后半部分椭球热流密度分布函数为：

式中f_f和f_r分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且f_f+f_r＝2，Q_i为第i根焊丝的电弧有效功率；v为焊接速度；α_i为第i根焊丝的焊接倾角，a_fi、a_ri为第i根丝对应的双椭球热源模型前、后半球长半轴的长度，b_i为第i根丝对应的双椭球短半轴长度，c_i为第i根丝对应的双椭球深度，公式中部分为衰减函数(二次函数)，若取衰减函数为一次函数或指数函数，则公式部分分别改为或为焊接过程进行的时间，i＝1,2；

步骤二，分别对采用不同衰减函数的双丝模型参数进行有限元反演，得到相对应的模拟的熔池形状；

步骤三，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为选择衰减函数的标准，得到最优的双丝模型。

进一步的，步骤二中，双丝模型反演过程中对每个双椭球热源模型单独进行反演，反演中利用模式搜索法计算得出相应的模型参数。

进一步的，选取衰减函数为二次函数的热源模型作为双丝模型。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明所提供的加入衰减函数的双椭球热源模型不仅可以在熔深、熔宽方面与实际有较好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合线形状。本发明热源模型构建形式简单，熔池形状可控力较强，与实验结果相似程度较高。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是现有技术中双椭球热源模型的结构示意图；

图3是本发明一实施例中焊件的有限元模型网格划分示意图；

图4是图3中实施例利用现有技术中双椭球热源模型模拟的熔池形状；

图5是图3中实施例利用加入一次函数衰减的双椭球热源模型模拟的熔池形状；

图6是图3中实施例利用加入指数函数衰减的双椭球热源模型模拟的熔池形状；

图7是图3中实施例利用加入二次函数衰减的双椭球热源模型模拟的熔池形状；

图8是图3中实施例采用二次函数作为衰减函数所得熔池形状与实验结果对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，包括以下步骤：

步骤一：在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，以两个此双椭球热源模型建立双丝模型。

现有技术中，双椭球热源模型如图2所示，双椭球热源模型设定焊接熔池的前半部分作为一个1/4椭球，后半部分作为另一个1/4椭球，热流密度在半椭球体内呈高斯函数正态分布，中心部分有最大值，从中心到边缘呈指数曲线下降。双椭球热源模型的公式为：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

后半部分椭球热流密度分布函数为：

式中f_f和f_r分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且f_f+f_r＝2，Q为电弧有效功率，Q＝ηUI；U为焊接电压，I为焊接电流，η为电弧有效热效率系数，取值0.77～0.9；v为焊接速度；α为焊接倾角，a_f、a_r为双椭球热源模型前、后半球长半轴的长度，b为双椭球短半轴长度，c为双椭球深度，t为焊接过程进行的时间。

经分析，现有技术中，双椭球热源模型所得熔池形貌与实际焊接熔池形貌在深度方向上有较大的差别。因此，本发明在双椭球热源模型的深度方向上加入衰减函数，通过此衰减函数来有效控制熔合线形状，达到控制焊接熔池形状的目的，从而使得有限元分析所得熔池形状与实际熔池形状有较好的吻合。

衰减函数包括：一次函数、指数函数和二次函数。其在双椭球热源模型对应的公式分别为：

一次函数：

指数函数：

二次函数：

在深度方向上加入以上函数后，可分别得到不同的熔合线形状，以期在熔池形状上与实验相吻合。

以二次函数为例，加入衰减函数后，双椭圆热源模型公式为：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

后半部分椭球热流密度分布函数为：

公式(3)、(4)中部分为二次衰减函数，同理，若取衰减函数为一次函数或指数函数，则公式部分分别改为或

以两个此双椭球热源模型建立双丝模型，即为前丝和后丝分别建立加入衰减函数的双椭球热源模型，前丝和后丝模型中加入的衰减函数相同。

双丝模型的热流密度分布函数为：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

后半部分椭球热流密度分布函数为：

式中f_f和f_r分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且f_f+f_r＝2，Q_i为第i根焊丝的电弧有效功率；v为焊接速度；α_i为第i根焊丝的焊接倾角，a_fi、a_ri为第i根丝对应的双椭球热源模型前、后半球长半轴的长度，b_i为第i根丝对应的双椭球短半轴长度，c_i为第i根丝对应的双椭球深度，公式中部分为衰减函数(二次函数)，若取衰减函数为一次函数或指数函数，则公式部分分别改为或为焊接过程进行的时间，i＝1,2。

步骤二，分别对采用不同衰减函数的双丝模型参数进行有限元反演，得到相对应的模型参数。

以一实施例来详细说明此过程，选用尺寸为18.4mm×200mm×300mm的Q345A钢板，在ABAQUS平台中建立三维焊接有限元模型进行模拟温度场；定义温度场控制方程和边界条件方程中涉及到的焊件材料属性参数，包括母材和焊缝的密度、材料相变潜热、对流系数、热传导系数、比热容、辐射换热系数、热膨胀系数、弹性模量和泊松比等；设定绝对零度和玻尔兹曼常数。

埋弧焊热输入量大、熔透能力强，焊接时电弧吹力大，综合埋弧焊传热特点，对流系数取20W/(m²·℃)，辐射换热系数0.9；f_f取1.1，f_r取0.9；比热容、热导率随温度变化而变化，其取值如表1：

表1比热容、热导率随温度变化值

对有限元模型进行非均匀网格划分：在焊缝和热影响区处采用单元尺寸为焊接熔池宽度的十分之一到八分之一，而在母材外围采用单元尺寸为焊接熔池宽度的五分之一到四分之一。如图3所示，实施例中在焊缝和热影响区处采用网格尺寸为2.3mm，而在母材外围采用网格尺寸为5mm。

取一组埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接倾角作为模拟基本参数，本实施例中选取前丝焊接电流为600A，前丝焊接电压为36V，前丝焊接倾角为0；后丝焊接电流为500A，后丝焊接电压为40V，后丝焊接倾角为15°；焊接速度为3.5m/min。实验所得熔宽w＝25.98mm，熔深p＝8.29mm，此实验数据可采用游标卡尺直接测量焊件所得。

对双丝模型中两个双椭球模型参数单独反演，先反演出前丝模型参数，在反演出后丝模型参数。对单个双椭球模型参数反演的具体过程为：将此已知焊接工艺参数代入双椭球热源模型中，对有限元模型施加FORTRAN语言编写的加入不同衰减函数的双椭球热源模型作为热源载荷。利用模式搜索法得出与实验结果相吻合的一组双椭球模型参数，以所得熔深熔宽与实际测量焊件的熔深熔宽相差小于10％为判据，得到最优的参数解。其中利用模式搜索法来搜索双椭球热源模型参数的最优解属于现有技术，具体过程可参考《模式搜索法反演多丝埋弧焊双椭球热源模型参数》文献中记载的详细过程。

基于获得的最优的模型参数得到温度场，进而获得模拟的焊接熔池形状。采用现有技术中双椭球热源模型模拟的熔池形状图如图4所示，采用加入一次函数衰减的双椭球热源模型模拟的熔池形状图如图5所示，采用加入指数函数衰减的双椭球热源模型模拟的熔池形状图如图6所示，采用加入二次函数衰减的双椭球热源模型模拟的熔池形状图如图7所示，采用二次函数作为衰减函数所得熔池形状与实验结果对比如图8所示，图8中左边为实验所得实际熔池形状，右边为采用二次函数作为衰减函数所得熔池形状。对比图4、5、6、7、8可得，衰减函数为二次函数的热源模型得到的熔池形状与实验结果的熔池形状相似度较高。二次函数衰减的热源模型模拟所得熔深熔宽与实验所得熔深熔宽数据如下表2所示，模拟所得与实验所得的误差在4.4％左右，具有较高的精确度。因此衰减函数为二次函数的热源模型不仅可以在串列双丝埋弧焊熔深熔宽上与实际结果有较好的吻合，而且得到的熔池形状相似度也较高。对比图4、5、6、7可得，该发明不同衰减函数热源模型对熔池形状可控力较强，即可以通过改变衰减函数来改变熔池形状，以此作为控制熔池形状的方法。。

表2模拟结果与实验结果对比

步骤三，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为选择衰减函数的标准，得到最优的串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型。

由实验可知，实际熔池形状与热流密度在深度方向上以二次函数衰减的双椭球热源模型所得熔池形状相似，熔池形状对比如图8所示，衰减函数为二次函数的热源模型不仅可以在串列双丝埋弧焊熔深、熔宽上与实际结果有较好的吻合，而且得到的熔池形状相似度也较高。因此选取二次函数衰减的双椭球热源模型作为串列双丝埋弧焊的热源模型。

本发明所提供的加入衰减函数的双椭球热源模型不仅可以在熔深、熔宽方面与实际有较好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合线形状。本发明热源模型构建形式简单，熔池形状可控力较强，与实验结果相似程度较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，以两个此双椭球热源模型建立双丝模型；

衰减函数包括一次函数、指数函数和二次函数；

以二次函数作为衰减函数的双丝模型热流密度分布函数为：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

$q\left(x,y,z,t\right)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{fi}{Q}_i}{{\mathrm{\π}}^{\frac{3}{2}}{a}_{fi}{b}_i{c}_i}\exp \left(-3\left(\frac{{\left(x-vt\right)}^2}{{\left(\frac{a_{fi}}{{\mathrm{cos\α}}_i}\right)}^2}+\frac{y^2}{{b_i}^2}+\frac{z^2}{{\left(\frac{c_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}\right)}^2}\right)\right){\left(\frac{z-\frac{c_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}}{\frac{c_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}}\right)}^2$

后半部分椭球热流密度分布函数为：

$q\left(x,y,z,t\right)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{ri}{Q}_i}{{\mathrm{\π}}^{\frac{3}{2}}{a}_{ri}{b}_i{c}_i}\exp \left(-3\left(\frac{{\left(x-vt\right)}^2}{{\left(\frac{a_{ri}}{{\mathrm{cos\α}}_i}\right)}^2}+\frac{y^2}{{b_i}^2}+\frac{z^2}{{\left(\frac{c_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}\right)}^2}\right)\right){\left(\frac{z-\frac{c_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}}{\frac{c_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}}\right)}^2$

式中f_f和f_r分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且f_f+f_r＝2，Q_i为第i根焊丝的电弧有效功率；v为焊接速度；α_i为第i根焊丝的焊接倾角，a_fi、a_ri为第i根丝对应的双椭球热源模型前、后半球长半轴的长度，b_i为第i根丝对应的双椭球短半轴长度，c_i为第i根丝对应的双椭球深度，公式中部分为衰减函数(二次函数)，若取衰减函数为一次函数或指数函数，则公式部分分别改为或为焊接过程进行的时间，i＝1,2；

步骤二，分别对采用不同衰减函数的双丝模型参数进行有限元反演，得到相对应的模拟的熔池形状；

步骤三，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为选择衰减函数的标准，得到最优的双丝模型。

2.根据权利要求1所述的一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，其特征是，步骤二中，双丝模型反演过程中对每个双椭球热源模型单独进行反演，反演中利用模式搜索法计算得出相应的模型参数。

3.根据权利要求1所述的一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法，其特征是，选取衰减函数为二次函数的热源模型作为双丝模型。