CN106874620A - 一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法，所述激光热丝焊接为对接焊，焊缝两侧的母材厚度相同，所述能量效率E_efh按以下表达式确认：本发明从能量转换和传递的物理本质出发，建立了基于焊接加工工艺参数的工艺过程能量效率模型，该模型能够度量焊接过程中的工艺能量效率，实用性强，对研究焊接过程中的工艺能量效率有很大的帮助。

Description

一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法

技术领域

本发明涉及一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法。

背景技术

高功率激光的应用代表了先进制造技术的发展方向，激光焊接已部分替代传统连接技术并逐步应用于交通运输、航空航天及核电等制造领域。激光焊接加工虽然具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高质量等突出优点，但激光焊接工艺过程对零件的加工精度和装夹精度要求较高，且能耗高而能效低，这在一定程度上限制了激光焊接的应用。采用激光热丝焊能在一定程度上降低对零件对接间隙的要求，提升焊接效率，但是依然存在激光焊接加工过程能耗高，能效低的问题。所以研究激光焊接工艺过程中能量的消耗和效率就变得十分有意义。

当前工艺能耗的研究方法主要有基于工艺过程资源输入输出IPO(Input-Process-Out)方法和基于工艺试验统计模型。

采用IPO方法研究能耗，有利于对制造工艺过程的资源和能源消耗进行描述。但是该方法存在制造工艺过程被视作能量输入输出“黑箱”的问题，无法揭示工艺过程能量转换本质并开展能耗降低研究。

采用基于工艺试验统计模型开展的能耗研究，则有利于探究多工艺参数与多工艺目标的关系。已有研究基于工艺试验数据采用多响应面方法进行加工参数优化所建立工艺能效模型，能够有效降低制造过程电耗，提高设备寿命。但是采用统计方法建立的能耗模型一般为基于实验的经验模型，适用范围有限。

因此，有必要寻找一种从能量转换和传递的物理本质出发，适用范围更广的方法来研究激光焊接过程中的工艺能量效率。而本发明采用焊缝熔化体积比能来描述激光焊接工艺的能量效率，建立了能够度量激光焊接工艺过程的能量效率模型，能够有效的解决上述问题，方法简单，模型准确性高，能够用于研究工艺参数与能量效率之间的关系。

发明内容

本发明旨在提供一种度量激光热丝焊接工艺能量效率的方法，更方便的计算和研究激光焊接工艺的能效，以提升激光热丝焊接过程中工艺的能量效率。

本发明的技术方案是，提供一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法，所述激光热丝焊接为对接焊，焊缝两侧的母材厚度相同，所述能量效率由焊缝熔化体积比能E_efh表征，并按照以下表达式确定：

其中，

ρ_b为母材密度，C_pb为母材定压比热，T_bm为母材熔点温度，ΔH_b为母材熔化潜热，η_bm为母材对激光的吸收率，A_bw为母材在激光照射下的熔化率，ρ_w为焊丝密度，C_pw(T)为焊丝的定压比热，T_wm为焊丝熔点温度，ΔH_w为焊丝熔化潜热，η_wm为焊丝对激光的吸收率，A_ww为焊丝在激光照射下的熔化率，F为熔合比，k为焊缝成形系数，d为母材的厚度，δ为焊接间隙，即焊接时两块焊接母材焊接部位之间的距离，v_w为焊接速度，I为加热电流，ρ₀为焊丝在0K时的电阻率，α为焊丝电阻率温度系数，T(x)为焊丝预热温度，D为焊丝直径，L为送丝长度，T_L为焊丝末端预热温度。

焊丝预热温度T(x)主要与加热电流I、送丝速度v_f、送丝长度L、焊丝直径D、焊丝电阻率ρ_re以及焊丝定压比热C_pw(T)等热物理属性有关。焊丝预热过程中，焊丝通过电阻加热实现预热升温。当焊接过程稳定时，取送丝嘴O为坐标原点建立坐标系，沿焊丝轴向分布的焊丝温度不变。建立预热温度计算模型时，考虑预热焊丝的热辐射损失，并作以下假设：

(1)焊丝材料成份均匀；

(2)焊丝预热温度沿焊丝径向分布均匀；

(3)焊丝的热辐射系数不随温度的变化而变化。

如图1，取与送丝嘴O距离x的焊丝微元段dx为分析对象。在任一时间段内，由能量守恒定律可知，电流通过焊丝产生的电阻热dQ_R等于微元体的内能增量dQ和辐射热损失dQ_r。其表达式为：

dQ_R＝dQ+dQ_r (1)

在一段时间dt内，对于微元段dx，由焦耳-楞次定律可得焊丝微元体产生的电阻热，如公式(2)：

dQ_R＝I²·dR·dt (2)

式中：dR为焊丝微元段电阻；且

A为焊丝横截面积，ρ_re为焊丝电阻率，且

ρ_re＝ρ₀·(1+α·T(x)) (4)

其中：ρ₀为焊丝0K时的电阻率，α为焊丝电阻率温度系数。

在一段时间dt内，焊丝微元体的内能增量为：

dQ＝C_pw(T)·dm·dT(x) (5)

式中：dm为焊丝微元段质量，C_pw(T)为焊丝的定压比热；且

dm＝ρ_w·A·dx (6)

C_pw(T)＝C₀·(1+β·T(x)) (7)

其中：ρ_w为焊丝的密度，C₀为焊丝0K时的定压比热，β为焊丝定压比热温度系数。

在一段时间dt内，微元体辐射热损失为：

dQ_s＝ε·σ·dA·[T(x)⁴-T_a ⁴]·dt (8)

其中：dA为焊丝微元段表面积；且

dA＝π·D·dx(9)

ε为焊丝辐射率；σ为Stefan-Boltzmann常数；T_a为焊丝初始温度，即为室温。

并且时间t与长度x的关系满足：

其中v_f为送丝速度。

将式(2)-(10)代入式(1)化简得：

根据数值计算方法中的插值法，通过编程可以直接计算出上述式子(式11)的解，即焊丝预热温度T(x)。

优选地，所述激光热丝焊接的焊接速度是匀速的。

优选地，所述母材为焊接平板。

以下对本发明的技术方案作进一步解释：

将焊接所需要的能量E分为熔化母材所需的激光能量E_lb，熔化预热焊丝所需的激光能量E_lw，预热焊丝所需的电阻热能E_cw三个部分。

其中熔化母材所需的激光能量E_lb，由于受到材料本身特性和焊接过程持续时间的影响，根据能量守恒定律，可以得到E_lb的表达式为：

熔化预热焊丝所需的激光能量E_lw，由于受到焊丝末端预热温度、焊丝本身性质、焊接过程持续的时间等因素的影响，根据能量守恒定律，可以得到E_lw的表达式为：

预热焊丝所需的电阻热能E_cw由送丝机提供。由焦耳-楞次定律得预热焊丝所需的电阻热能为：

将焊缝熔化体积V分为母材熔化体积V_b和焊丝熔化体积V_w两部分。即：

V＝V_b+V_w

根据上述的式子，建立了基于焊接加工工艺参数的工艺过程能效率模型，能够动态的描述焊接工艺过程中能量的效率，其表达式为：

与现有的焊接过程工艺能量效率计算方法相比较，本发明的有益效果是：本发明从能量转换和传递的物理本质出发，建立了基于焊接加工工艺参数的工艺过程能量效率模型，该模型能够度量焊接过程中的工艺能量效率，实用性强，对研究焊接过程中的工艺能量效率有很大的帮助。

附图说明

图1表示焊丝预热分析示意图；图1中，工件也称母材，对接间隙也称焊接间隙；

图2表示不同焊接间隙下的焊缝熔化体积比能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供一种度量激光焊接过程工艺能量效率的方法，在激光加工特别是激光对接焊中，可以用焊接所需要的能量E与焊缝熔化体积V的比值即焊缝熔化体积比能E_efh来描述激光对接焊接工艺的能量效率，如式(12)。

在激光热丝对接焊焊接过程中，熔化焊缝所需的能量主要来源于激光提供的光能以及焊丝电阻预热的热能，而激光光能一部分用于熔化母材，另一部分用于熔化已经预热并送入熔池的焊丝。因此完成激光热丝焊熔化焊缝所需的能量为：

E＝E_lb+E_lw+E_cw (13)

式中：E_lb为熔化母材所需的激光能量，E_lw为熔化预热焊丝所需的激光能量，E_cw为预热焊丝所需的电阻热能。

根据能量守恒原理，激光焊接过程中熔化母材与预热焊丝所需的激光能量可分别由式(14)、(15)估算：

式中：ρ_b为母材密度，V_b为母材熔化体积，C_pb为母材定压比热，T_bm为母材熔点温度，ΔH_b为母材熔化潜热，η_bm为母材对激光的吸收率，A_bw为母材在激光照射下的熔化率，t为焊接过程持续的时间，ρ_w为焊丝密度，C_pw(T)为焊丝的定压比热，V_w为焊丝熔化体积，T_wm为焊丝熔点温度，T_L为焊丝末端预热温度，ΔH_w为焊丝熔化潜热，η_wm为焊丝对激光的吸收率，A_ww为焊丝在激光照射下的熔化率。

激光热丝对接焊接中，预热焊丝所需的电阻热能由送丝机提供。由焦耳-楞次定律得预热焊丝所需的电阻热能E_cw为：

式中：I为加热电流，ρ₀为焊丝在绝对零度时的电阻率，α为焊丝电阻率温度系数，T(x)为焊丝预热温度，D为焊丝直径，L为送丝长度，t为焊接过程持续的时间。

激光热丝对接焊接的焊缝熔化体积V由母材熔化体积V_b和焊丝熔化体积V_w组成。即：

V＝V_b+V_w (17)

式中：

V＝s·v_w·t (18)

V_b＝F·V (19)

其中：s为焊缝熔化区域横截面面积，v_w为焊接速度，F为熔合比，v_f为送丝速度。

式中：k为焊缝成形系数，即在单道焊缝横截面上焊缝宽度(B)与焊缝计算厚度(H)的比值(k＝B/H)；焊缝计算厚度是指设计焊缝时使用的焊缝厚度，在本申请中其就等于焊接板的板厚；d为焊接时两块焊接板的板厚，两块板的板厚是一致的；δ为焊接间隙，即焊接时两块焊接板焊接部位的间隙，此间隙是等距离的间隙。焊接速度是指在焊接时已经设定好的机器人运行的速度，是一个匀速的速度。

将式(13)-(21)带入式(12)得：

其中：

式(22)就是最后建立的基于焊缝熔化体积比能的工艺过程能量效率模型。通过式子(22)可以计算出焊缝熔化体积比能。这对研究焊接过程中工艺能量效率有很大的帮助，为提高激光焊接的工艺能量效率奠定了基础。

这里以双面镀锌车用高强钢DP800为研究对象，进一步说明模型的准确性。试件尺寸为60mm×35mm×1.2mm，其化学成分如表1所示，热物性参数如表2所示。试验前打磨试件边缘，保证对接间隙均匀，并利用丙酮清洗对接部位。采用前送丝方式，送丝角度为45°，光丝距为零。热丝电源正极通过送丝头与焊丝接触，负极与试件接触，保持焊接中焊丝预热回路连通。焊接时，采用同轴氩气(Ar)保护，流量为15L/min，焊接速度为20mm/s，离焦量为+8mm，焊丝直径为1mm，焊丝预热长度为17mm。表3是对接间隙0.4mm-1.2mm范围内获得良好焊缝成形条件下的焊丝预热电流和激光功率等工艺参数。送丝功率包括焊丝预热功率、接触电阻功率以及母材电阻功率，表3中的送丝功率由送丝电压与加热电流的乘积计算所得。在本实验中，全送丝回路总电阻约30mΩ，常温下焊丝电阻约5mΩ。由焦耳-楞次定律可知，电阻热功率与电阻成正比。因此，焊丝预热功率为送丝功率的1/6，如表3所示。

表1 DP800与焊丝的化学成分

表2高强钢DP800的相关热物性参数

表3不同对接间隙下的焊接工艺参数

图2为激光热丝对接焊能量效率的实验测量与理论计算曲线，平均相对误差为6.2％。熔化焊丝的能量来源于高能量效率的电阻热和相对低能量效率的激光，因此，熔化焊丝的能量效率高于仅来自激光熔化母材的能效。而随着对接间隙的增大，焊丝在焊缝熔化材料中的质量比重增加。从图2可以发现，焊缝熔化体积比能随着焊接间隙的增大而减小。焊缝熔化体积比能模型可以用于工艺能量效率的预测与分析。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法，其特征在于，所述激光热丝焊接为对接焊，焊缝两侧的母材厚度相同，所述能量效率由焊缝熔化体积比能E_efh表示，焊缝熔化体积比能E_efh的表达式为：

$E_{efh}=(K_b-K_w)\·F+(\frac{4\·{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\π}\·k\·d}\·\frac{I^2.{\∫}_0^L(1+\mathrm{\α}\·T(x))\·dx}{D^2\·\mathrm{\δ}\·v_w}-\mathrm{\λ}\left(T\right)\·T_L)\·(1-F)+K_w$

其中，

$K_b=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b\·(C_{pb}\·T_{bm}+{\mathrm{\ΔH}}_b)}{{\mathrm{\η}}_{bm}\·A_{bw}};$

$K_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\·\left(C_{pw}\right(T)\·T_{wm}+{\mathrm{\ΔH}}_w)}{{\mathrm{\η}}_{wm}\·A_{ww}};$

$\mathrm{\λ}\left(T\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_{pw}\left(T\right)}{{\mathrm{\η}}_{wm}\·A_{ww}};$

ρ_b为母材密度，C_pb为母材定压比热，T_bm为母材熔点温度，ΔH_b为母材熔化潜热，η_bm为母材对激光的吸收率，A_bw为母材在激光照射下的熔化率，ρ_w为焊丝密度，C_pw(T)为焊丝的定压比热，T_wm为焊丝熔点温度，ΔH_w为焊丝熔化潜热，η_wm为焊丝对激光的吸收率，A_ww为焊丝在激光照射下的熔化率，F为熔合比，k为焊缝成形系数，d为母材的厚度，δ为焊接间隙，即焊接时两块母材焊接部位间隙的宽度，v_w为焊接速度，I为加热电流，ρ₀为焊丝在绝对零度时的电阻率，α为焊丝电阻率温度系数，T(x)为焊丝预热温度，D为焊丝直径，L为送丝长度，T_L为焊丝末端预热温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光热丝焊接的焊接速度是匀速的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母材为焊接平板。