CN106529051B - 一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法。方法包括：一，建立双椭球热源模型得到热流密度分布函数；二，建立有限元模型模拟温度场，取一组单丝埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接倾角作为模拟基本参数，基于实验结果得到一组合适的双椭球热源模型参数；三，对步骤二中双椭球热源模型参数以10%的幅度进行调整，对各参数组合分别进行有限元数值模拟，得到多组熔宽、熔深样本数值；以确定双椭球热源模型参数和焊接速度对熔宽、熔深的敏感性方程；四，忽略对敏感性方程影响小的参数，得出精简后的敏感性方程；五，将公式进行推广验证。本发明与传统人工搜索热源模型参数方法相比，效率高，大大减少计算时间。
Description
技术领域
本发明属于焊接数值模拟热源模型技术领域，具体涉及一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法。
背景技术
埋弧焊(含埋弧堆焊及电渣堆焊等)是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。
焊接过程是在高温下的动态过程，为了进一步提高生产效率和产品质量，需要对焊接过程进行数值模拟以确保焊接温度场和热应力变形分析的计算精度。埋弧焊数值模拟首要解决的问题是埋弧焊热源模型参数选择的问题。目前单丝埋弧焊热源模型参数确定方法主要为试算，由于研究人员的经验及时间限制，很难保证热源模型的精度，同时又增加了开发成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，解决了现有技术中确定热源模型参数计算量大、精度不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：建立双椭球热源模型得到热流密度分布函数：
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ff和fr分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且ff+fr＝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，af、ar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；
步骤二，建立有限元模型，取一组单丝埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度、和焊接倾角作为已知参数，进行有限元反演获得最优的双椭球热源模型参数；
步骤三，对以上双椭球热源模型参数和焊接速度以设定的幅度进行调整，获得多组参数组合；对各参数组合分别进行模拟获得相应的熔宽熔深数值，得到多组参数与熔宽熔深对应的样本；以双椭球热源模型参数：af、ar、b、c和焊接速度v为输入参数，以熔宽w、熔深p为输出参数，将对应样本代入回归方程得出敏感性分析结果：
其中，x2w、x3w、x4w、x5w、x6w为af、、ar、b、c、v对熔宽w的敏感性系数；x2p、x3p、x4p、x5p、x6p为af、ar、b、c、v对熔深p的敏感性系数；x1w、x1p为与Q有关的函数f(Q)、g(Q)；
步骤四，对所得敏感性方程进行简化和拟合，具体过程为：
1)根据步骤三中敏感性方程得出影响熔宽w、熔深p的主要热源模型参数为b、c以及v；因此忽略对敏感性方程影响小的参数af和ar，得出简化后的敏感性方程；
2)将多组样本数值代入简化后的敏感性方程中对f(Q)、g(Q))进行二次拟合；得到f(Q)、g(Q)关于Q的表达式；
步骤五，利用以上敏感性方程预测热源模型参数。
进一步的，步骤二中，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。
进一步的，利用模式搜索法进行反演。
进一步的，步骤三中，参数调整幅度为10％。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明利用敏感性方程预测热源模型参数，可以提高数值模拟的精度，减少工艺试验，节约开发成本。对于未经试验的焊接工艺参数，通过预测公式能够对结果进行扩展，并使计算结果连续化，从而能够获得在一定范围内的一定工艺参数组合所对应的热源模型参数。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明焊接件的有限元分析网格模型示意图；
图3是本发明一实施例中网格划分示意图；
图4是图3中实施例利用预测所得模型参数模拟结果与实验结果对比图。
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，本发明的一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，包括以下步骤：
步骤一：建立双椭球热源模型；
根据单丝埋弧焊具有能量密度高、加热范围集中等工艺特点，采用双椭球热源模型进行焊接数值模拟。由于该热源模型所描述的热流密度分布在椭球形体积内，能够反映出焊接沿深度方向对焊件进行加热的特点，因此可以对焊接温度场进行更为准确的模拟。然而对于功率大小相同的热源，当热流密度分布不同时，计算结果会有很大差异。而双椭球模型的形状参数对其内部热流密度分布有决定性的影响，因此，本发明的目的是提供一种方法来确定双椭球热源模型中形状参数的数值。
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ff和fr分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且ff+fr＝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，在实际工艺中单丝埋弧焊焊接倾角通常为0；af、ar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。
单丝埋弧焊采用双椭球热源模型模拟焊接中的移动热源。由于埋弧焊焊丝导电长度短，电流和电流密度高，焊丝熔敷效率很高，所以取η(电弧有效系数)为0.9。可知，焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接倾角均为焊接工艺参数，在实验阶段为已知参数，确定双椭球热源模型形状需要求解四个参数af、ar、b和c。而这四个参数的大小将直接影响到焊接过程中温度场的分布，因此，求解这四个参数是关键。
步骤二，建立有限元模型模拟温度场，取一组单丝埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接倾角作为模拟基本参数，基于熔深、熔宽的实验结果利用模式搜索法反演获得双椭球热源模型参数；
在ABAQUS平台中对焊件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。
对有限元模型进行非均匀网格划分：如图2所示，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。
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，将此参数代入双椭球热源模型中，施加FORTRAN语言编写的双椭球热源模型描述的热源载荷；基于实验所得熔深、熔宽数值进行有限元模式搜索法反演，获得温度场数据，由温度场数据测得熔深、熔宽。以所得熔深、熔宽与实验焊接熔池的熔深、熔宽(此实验数据可采用游标卡尺直接测量焊件所得)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四个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。
以一实施例来详细说明此过程，选用尺寸为10mm×300mm×300mm的Q235A钢板。有限元非均匀网格划分的示意图参见图3，焊缝处采用网格大小为1.6mm，远离焊缝处选用网格大小为3.5mm。
取焊接电流为1000A，焊接电压为32V，焊接速度为16mm/s，焊接倾角为0，ff取1.1，fr取0.9。实验所得熔宽w＝13.02mm，熔深p＝9.80mm，此实验数据可采用游标卡尺直接测量焊件所得。利用模式搜索法得出与实际熔池形貌相吻合的一组双椭球模型参数。对根据模式搜索法进行有限元模拟而得到的众多参数统计归纳可以得到，取af＝b，ar＝3b，得出模型参数：b＝4.3，c＝8.6，af＝4.3，ar＝12.9。
将此四个模型参数代入双椭球热源模型中计算出熔池的熔深、熔宽结果，结果如下表1所示，可知此熔深熔宽的模拟结果与实验结果误差为6％左右，因此在熔池形貌上与实验结果有较好的吻合：
表1模拟结果与实验结果对比
步骤三：对步骤二中双椭球热源模型参数和焊接速度以10％的幅度进行调整，即调整af、ar、b、c和v至原参数的0.8、0.9、1.1、1.2……倍，对各参数组合进行模拟计算出相应的熔宽、熔深数值，得到多组参数与熔宽、熔深对应的样本数值；以双椭球热源模型参数：af、ar、b、c和焊接速度v为输入参数，以熔宽w、熔深p为输出参数，将对应样本代入回归方程得出敏感性分析结果：
其中v为焊接速度；x2w、x3w、x4w、x5w、x6w为af、ar、b、c、v对熔宽w的敏感性系数；x2p、x3p、x4p、x5p、x6p为af、ar、b、c、v对熔深p的敏感性系数；x1w、x1p为与Q(电弧有效功率)有关的函数f(Q)、g(Q)。
在实施例中，对热源模型参数af、ar、b、c和焊接速度v调整至原参数的0.8、0.9、1.1、1.2……倍，进行模拟获得模拟的熔宽、熔深值，得到多组参数-熔宽、熔深实验结果，将实验结果输入使(3)和(4)中，得到得出敏感性方程：
步骤四，对所得敏感性方程进行简化和拟合。
简化：由式(5)和(6)得出，af、ar对熔宽w、熔深p的影响很小；而c以及焊接速度v对熔宽w、熔深p影响较大；b对于熔宽w影响较小，对于熔深p有一定影响。即得出影响w、p的主要参数为：b、c以及焊接速度v；忽略对敏感性方程影响小的参数af、ar，得出简化后的敏感性方程。
拟合：将步骤三中得到的多组实验数据代入简化后的方程(5)和(6)中对f(Q)、g(Q)进行二次拟合，得到f(Q)、g(Q)关于Q的表达式；
忽略对敏感性方程影响小的参数，得出精简后的敏感性方程为：
步骤五，将得出的简化敏感性方程用于热源模型参数预测，利用ABAQUS软件将预测参数用于热源模型并加载，得到温度场结果，由温度场结果得出焊接熔池形状及相应输出参数结果熔宽w、熔深p，与实验结果验证。
取焊接电压为34V，焊接电流为650A，焊接速度为39m/h，焊接倾角为0的单丝埋弧焊作为对比实验，实验所得熔宽w＝14.38mm，熔深p＝6.02mm，此实验数据可采用游标卡尺直接测量焊件所得。根据预测公式(7)(8)，将已知的工艺参数代入预测公式可以得出模型参数：b＝7.5，c＝7.9，af＝b＝7.5，ar＝3b＝22.5。
将以上得出的参数代入双椭球热源模型中，用ABAQUS软件模拟得出温度场以及熔池形状，利用预测所得模型参数模拟结果与实验结果对比，对比结果如下表2所示，得出实验结果与预测公式所得模型参数的模拟结果吻合度较高；利用预测所得模型参数模拟结果与实验结果对比如图4所示，图4中左边是实验中熔池形貌、右边是模拟结果的熔池形貌；从图中可以看出模拟结果在熔池形貌上与实验结果也有较好的吻合，预测公式得到实验的验证。
表2预测公式所得模拟结果与实际对比
基于以上分析可知，根据已知工艺参数(包括焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接倾角、熔深熔宽)利用预测公式计算出的热源模型参数精确度高。
本发明利用敏感性方程预测热源模型参数，可以提高数值模拟的精度，减少工艺试验，节约开发成本。对于未经试验的焊接工艺参数，通过预测公式能够对结果进行推广，并使计算结果连续化，从而能够获得在一定范围内的任意焊接工艺参数组合所对应的热源模型参数。
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 (4)
1.一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：建立双椭球热源模型得到热流密度分布函数：
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ff和fr分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且ff+fr＝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，af、ar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；
步骤二，建立有限元模型，取一组单丝埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接倾角作为已知参数，进行有限元反演获得最优的双椭球热源模型参数；
步骤三，对获得的双椭球热源模型参数和焊接速度以设定的幅度进行调整，获得多组参数组合；对各参数组合分别进行模拟获得相应的熔宽、熔深数值，得到多组参数与熔宽、熔深对应的样本；以双椭球热源模型参数：af、ar、b、c和焊接速度v为输入参数，以熔宽w、熔深p为输出参数，将对应样本代入回归方程得出敏感性分析结果：
其中，x2w、x3w、x4w、x5w、x6w为af、ar、b、c、v对熔宽w的敏感性系数；x2p、x3p、x4p、x5p、x6p为af、ar、b、c、v对熔深p的敏感性系数；x1w、x1p为与Q有关的函数f(Q)、g(Q)；
步骤四，对所得敏感性方程进行简化和拟合，具体过程为：
1)根据步骤三中敏感性方程得出影响熔宽w、熔深p的主要热源模型参数为b、c以及v；忽略对敏感性方程影响小的参数af和ar，得出简化后的敏感性方程；
2)将多组样本数值代入简化后的敏感性方程中对f(Q)、g(Q))进行二次拟合；得到f(Q)、g(Q)关于Q的表达式；忽略对敏感性方程影响小的参数，得出精简后的敏感性方程；
步骤五，利用以上精简后的敏感性方程预测热源模型参数。
2.根据权利要求1所述的一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，其特征是，步骤二中，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。
3.根据权利要求2所述的一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，其特征是，利用模式搜索法进行反演。
4.根据权利要求1所述的一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，其特征是，步骤三中，参数调整幅度为10％。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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