CN109885946B - 一种确定复合热源的能量分配的方法及焊接模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接加工领域，具体涉及一种确定复合热源的能量分配的方法及焊接模拟方法。确定复合热源的能量分配的方法包括：选择焊接位置处的一截面，获取截面上的熔池图形；将所述熔池图形按各类几何形状划分成不同的子图形；计算所述子图形的能量分配系数；计算所述子图形的能量输入值。由于此能量输入值接近实际的能量输入量，在进行热源校核时，通过将此能量输入值作为初始值导入至热源模型中，再对比经由数值计算得到的熔池图形与实际工件的熔池图形，只需微调能量输入值等相关热源参数即可实现基本吻合，而无需繁琐地进行多次调整，极大地缩短了复合热源的校核周期，进而缩短了整个焊接仿真模拟的耗时。

Description

一种确定复合热源的能量分配的方法及焊接模拟方法

技术领域

本发明涉及焊接加工领域，具体涉及一种确定复合热源的能量分配的方法及焊接模拟方法。

背景技术

随着计算仿真技术的发展，焊接仿真技术也在快速发展，越来越多的工程师利用仿真技术来研究焊接过程和现象，通过优化焊缝结构和焊接工艺，以实现有效控制焊接变形和焊后开裂等问题。目前焊接仿真技术还不是很成熟，存在如复合热源的校核周期长、整体焊接仿真模拟时间长等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种确定复合热源的能量分配的方法，克服现有仿真技术的复合热源校核周期长的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种确定复合热源的能量分配的方法，包括：步骤A、选择焊接位置处的一截面，获取截面上的熔池图形；步骤B、将所述熔池图形按各类几何形状划分成不同的子图形；步骤C、计算所述子图形的能量分配系数；步骤D、计算所述子图形的能量输入值，所述子图形的能量输入值为总输入能量值与所述子图形的能量分配系数的乘积。

本发明的更进一步优选方案是，所述步骤A中，所述截面为沿熔池深度方向选取的一平面。

本发明的更进一步优选方案是，所述子图形的能量分配系数为所述子图形的面积除以所述熔池图形的总面积的商。

本发明的更进一步优选方案是，所述步骤B具体包括：步骤1、建立焊接工件的数值模型；步骤2、将热源加载顺序、热源加载位置以及由确定复合热源的能量分配的方法得出的能量输入值导入至热源模型；步骤3、将焊接工况参数导入热源模型；步骤4、热源模型计算并分析结果。

本发明的更进一步优选方案是，所述步骤2与步骤3之间还包括：步骤20、对复合热源进行校核。

本发明的更进一步优选方案是，所述热源加载顺序为热源在每条焊缝上的移动路线或各焊缝焊接的先后顺序。

本发明的更进一步优选方案是，所述热源加载位置与时间、速度之间的关系为：

其中，n为组数；Sx_n、Sy_n、Sz_n分别为第n组热源的起始位置在X、Y和Z轴方向的坐标；V_x、V_y、V_z分别为第n组热源在X、Y、Z轴方向对应的移动速度；t为热源加载的时间。

本发明的更进一步优选方案是，所述步骤1具体包括以下步骤：建立焊接工件的实体模型；选择网格类型以及调整网格质量，在实体模型上划分网格；将网格进行分组并对分组后的组分进行命名；生成焊接工件的数值模型。

本发明的更进一步优选方案是，所述步骤1还包括以下步骤：通过省略焊接坡口、余高、圆角、倒角实现简化焊接工件的实体模型。

本发明的更进一步优选方案是，所述步骤3具体包括以下步骤：输入热交换的形式；输入待焊工件的固定方式及位置；输入接触形式；输入待焊工件所受的外力作用。

本发明提供的一种确定复合热源的能量分配的方法，先获取焊接位置处的一个截面上的熔池图形，然后将该熔池图形划分成不同形状的子图形，并计算出各子图形对应的能量输入值。由于此能量输入值接近实际的能量输入量，在进行热源校核时，通过将此能量输入值作为初始值导入至热源模型中，再对比经由数值计算得到的熔池图形与实际工件的熔池图形，只需微调能量输入值等相关热源参数即可实现基本吻合，而无需繁琐地进行多次调整，极大地缩短了复合热源的校核周期，进而缩短了整个焊接仿真模拟的耗时。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的确定复合热源的能量分配的方法流程示意图；

图2是本发明实施例的焊接模拟方法的流程示意图；

图3是本实施例的焊接模拟方法的步骤1的流程示意图；

图4是本实施例的焊接模拟方法的步骤3的流程示意图；

图5是本发明实施例的焊接工件的立体模型图；

图6是本发明实施例的焊接工件的实体模型示意图；

图7是本发明实施例的横截面上的熔池示意图；

图8是本发明实施例的温度云图；

图9是本发明实施例的应力云图；

图10是本发明实施例的变形云图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

在本实施例中，焊接模拟软件选用Sysweld。Sysweld是完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算的计算机模拟开发系统软件。焊接模拟软件中涉及的数值模型为有限元模型。热源在有限元计算里是以一个函数形式来表示。而热源模型是对作用于焊接工件上的、在一定时间和位置上的热输入分布特点的一种数学表达。

如图1所示，本实施例的确定复合热源的能量分配的方法，包括以下步骤：

步骤A、选择焊接位置处的一截面，获取截面上的熔池图形；

步骤B、将所述熔池图形按各类几何形状划分成不同的子图形；

步骤C、计算所述子图形的能量分配系数μ；所述能量分配系数μ为各子图形的面积M_n除以熔池图形的总面积M的商，即μ＝M_n/M；

步骤D、计算所述子图形的能量输入值Q_n；所述能量输入值Q_n为总输入能量值Q与所述子图形的能量分配系数μ的乘积，即

Q_n＝Q*μ＝Q×(M_n/M)；

其中，总输入能量值为焊接头所提供的能量。总输入能量值Q＝P/V，P为焊接功率，V为焊接速度。

本发明实施例的确定复合热源的能量分配的方法，先获取焊接位置处的一个截面上的熔池图形，然后将该熔池图形划分成不同形状的子图形，并计算出各子图形对应的能量输入值。由于此能量输入值接近实际的能量输入量，在进行热源校核时，通过将此能量输入值作为初始值导入至热源模型中，再对比经由数值计算得到的熔池图形与实际工件的熔池图形，只需微调能量输入值等相关热源参数即可实现基本吻合，而无需繁琐地进行多次调整，极大地缩短了复合热源的校核周期，进而缩短了整个焊接仿真模拟的耗时，提高了生产效率。

更佳地，如图2所示，本实施例还提供一种焊接模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、建立焊接工件的数值模型，并加载至热源模型；

步骤2、将热源加载顺序、热源加载位置以及由上述的确定复合热源的能量分配的方法得出的能量输入值Q_n导入至热源模型；

步骤20、对复合热源进行校核

步骤3、将焊接工况参数导入热源模型；

步骤4、热源模型计算并分析结果。

通过建立焊接工件的数值模型并加载至热源模型，再将热源加载顺序、热源加载位置和熔池上各子图形对应的能量输入值等工艺参数导入热源模型中，并将此热源模型用以实现对数值的模拟计算。经热源校核后,将实际生产中的焊接工况导入至热源模型中，焊接模拟软件进行焊接仿真分析，得出模拟结果，用以指导实际的焊接生产，尤其适用于大尺寸、焊缝长、具备复合热源且焊接工艺复杂的生产加工，达到提高焊接质量和生产效率的效果。

如图5所示，本实施例以大尺寸的U字形焊接工件为例。第一母材1通过第一焊缝4与第二母材2连接，第二母材2通过第二焊缝5与第三母材3连接。由于U字形焊接工件的结构较为简单，可采用软件Visual-environment来进行建模及进行网格划分等。焊接头(图未示)的焊接速度V为1.2m/min，焊接功率P为2000w。

具体的，如图3所示，所述步骤1具体包括：

步骤11、建立焊接工件的实体模型，并加载至热源模型；

所述步骤11中，根据待焊工件的形状和尺寸建立出三维实体模型，如图6所示。

步骤12、简化焊接工件的实体模型；

所述步骤12中，将待焊工件的实体模型的焊接坡口、余高、圆角、倒角等作简化，以提高在软件中的响应速度和运算速度。

步骤13、选择网格类型以及调整网格质量，并在实体模型上划分网格；

所述步骤13中，网格类型选择线性六面体网格类型和8节点；网格质量的调整包括将网格密度设为2、焊缝宽度方向的单元数设为4个、熔池长度方向的单元数设为4个、焊缝与焊接母材之间过渡部分与焊缝的网格密度之比为2。

步骤14、将网格进行分组并对分组后的组分进行命名；

所述步骤14中，将网格分组为焊缝组、焊接母材组、热源加载组、热交换组及约束组等组分。各组分命名(图未示)如下：焊缝组命名为J01_WIRE、J02_WIRE；母材组命名为COMPONENT_01、COMPONENT_02、COMPONENT_03；两组热源加载组分别命名：第一组热源加载组可命名为J01_PATH、J01_REF、J01_SNO、J01_SEL、J01_ENO；第二组热源加载组可命名为J02_PATH、J02_REF、J02_SNO、J02_SEL、J02_ENO；热交换组命名为SKIN_01；约束组的命名可为CLAMP_01、CLAMP_02和CLAMP_03。

步骤15、生成焊接工件的数值模型；

所述步骤15中，根据上述的实体模型、网格类型、网格质量、划分网格、网格分组、组分命名，生成Sysweld软件能识别的数值模型，即焊接工件被转化成了可以在求解过程中能够被识别的网格。将此数值模型保存并加载至Sysweld软件中的热源模型中。

如图4所示，所述步骤2具体包括：

步骤21、确定热源加载顺序；

所述步骤21中，所述热源加载顺序为热源在每条焊缝上的移动路线或各焊缝焊接的先后顺序。移动路线如图6中的虚线箭头所示。

步骤22、建立各组热源加载位置S与时间t、速度V之间的关系；

所述步骤12中，任意一组热源加载位置加载位置S_n(v,t)与时间t、速度V(v_x(t),v_y(t),v_z(t))之间的关系如下：

其中，n为组数；Sx_n、Sy_n、Sz_n分别为第n组热源的起始位置在X、Y和Z轴方向的坐标；V_x、V_y、V_z分别为第n组热源在X、Y、Z轴方向对应的移动速度；t为热源加载的时间。

在本实施例中，参照图5中的坐标轴，第一组热源6的加载位置S₁(v,t)与时间t、速度V(v_x(t),v_y(t),v_z(t))之间的关系为：

第二组热源7的加载位置S₂(v,t)与时间t、速度V(v_x(t),v_y(t),v_z(t))之间的关系为：

步骤23、确定复合热源的能量分配；

所述步骤23包括以下步骤：

步骤A、选择焊接位置处的一截面，获取截面上的熔池图形；

所述步骤A中，在焊接位置处，沿熔池的深度方向选取一个截面，获取截面上的熔池图形的形状和尺寸，如图7所示。

步骤B、将所述熔池图形按各类几何形状划分成不同的子图形；

所述步骤B中，根据熔池图形的整体形状将熔池图形划分成不同几何形状类型的子图形，并计算出各个划分好的子图形的面积M_n。继续参考图7，在本实施例中，熔池图形被划分成一个类长方形子图形和一个类半圆形子图形，类长方形子图形的面积M₁＝3.75mm²，类半圆形子图形的面积M₂＝1mm²。

步骤C、计算所述子图形的能量分配系数μ；能量分配系数μ为各子图形的面积M_n除以熔池图形的总面积M的商，即μ＝M_n/M；

步骤D、计算所述子图形的能量输入值Q_n；所述能量输入值Q_n为总输入能量值Q与所述子图形的能量分配系数μ的乘积，即

Q_n＝Q*μ＝Q×(M_n/M)；其中，Q＝P/V，P为焊接功率，V为焊接速度。

代入数值后可得：

Q＝P/V＝2000/(1.2*1000/60)＝100J/mm

Q₁＝Q*M₁/(M₁+M₂)＝100*3.75/(3.75+1)＝78.9J/mm

Q₂＝Q*M₂/(M₁+M₂)＝100*1/(3.75+1)＝21.1J/mm

步骤24、将热源加载顺序、热源加载位置、能量输入值以及其他相关热源参数输入到热源模型中。

步骤20、对复合热源进行校核；

所述步骤20中，将经由焊接模拟软件Sysweld模拟计算得到的熔池与焊接工件上的实际熔池进行对比。若校得的每一层的热源熔池形状与实际焊接所形成的的熔池形状不吻合，则微调相关热源参数；若基本吻合，则用该组热源模型可以很好地对焊接工件进行数值模拟，保存此校正好的热源文件。

如图4所示，所述步骤3具体包括：

步骤31、输入热交换的形式；

所述步骤31中，热交换形式包括空冷、水冷和油冷。本实施例的热交换形式为空冷。

步骤32、输入待焊工件的固定方式及位置；

所述步骤32中，固定方式为自由约束，固定位置无。

步骤33、输入接触形式；

所述步骤33中，在本实施例中无接触。

步骤34、输入待焊工件所受的外力作用；

所述步骤34中，外力作用包括压力载荷、集中力作用和扭矩等。在本实施例中，无外力作用。

将实际加工生产时的上述的热交换的形式、固定方式及位置、接触形式、外力作用等焊接工况参数输入热源模型中。

一同参考图8-10，所述步骤5具体包括：

载入数值模型、校正好的热源模型及输入焊接工况后，焊接模拟软件Sysweld开始进行焊接模拟。热源模型计算并对结果进行焊接温度场、变形和应力场分析。最终分析结果显示为温度云图(图8)、应力云图(图9)和变形云图(图10)。

通过其分析的结果，参考温度云图、应力云图和变形云图，以优化焊接工艺，提高生产效率和品质。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种确定复合热源的能量分配的方法，其特征在于，包括：

步骤A、选择焊接位置处的一截面，获取截面上的熔池图形；

步骤B、将所述熔池图形按各类几何形状划分成不同的子图形；

步骤C、计算所述子图形的能量分配系数；

步骤D、计算所述子图形的能量输入值，所述子图形的能量输入值为总输入能量值与所述子图形的能量分配系数的乘积。

2.根据权利要求1所述的确定复合热源的能量分配的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述截面为沿熔池深度方向选取的一平面。

3.根据权利要求1所述的确定复合热源的能量分配的方法，其特征在于，所述子图形的能量分配系数为所述子图形的面积除以所述熔池图形的总面积的商。

4.一种焊接模拟方法，其特征在于，包括：

步骤1、建立焊接工件的数值模型，并加载至热源模型；

步骤2、将热源加载顺序、热源加载位置以及由权利要求1所述的确定复合热源的能量分配的方法得出的能量输入值导入至热源模型；

步骤3、将焊接工况参数导入热源模型；

步骤4、热源模型计算并分析结果。

5.根据权利要求4所述的焊接模拟方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3之间还包括：

步骤20、对复合热源进行校核。

6.根据权利要求4所述的焊接模拟方法，其特征在于，所述热源加载顺序为热源在每条焊缝上的移动路线或各焊缝焊接的先后顺序。

7.根据权利要求4所述的焊接模拟方法，其特征在于，所述热源加载位置与时间、速度之间的关系为：

其中，n为组数；Sx_n、Sy_n、Sz_n分别为第n组热源的起始位置在X、Y和Z轴方向的坐标；V_x、V_y、V_z分别为第n组热源在X、Y、Z轴方向对应的移动速度；t为热源加载的时间。

8.根据权利要求4所述的焊接模拟方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：

建立焊接工件的实体模型；

选择网格类型以及调整网格质量，在实体模型上划分网格；

将网格进行分组并对分组后的组分进行命名；

生成焊接工件的数值模型。

9.根据权利要求8所述的焊接模拟方法，其特征在于，所述步骤1还包括以下步骤：

通过省略焊接坡口、余高、圆角、倒角实现简化焊接工件的实体模型。

10.根据权利要求4至9任一项所述的焊接模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

输入热交换的形式；

输入待焊工件的固定方式及位置；

输入接触形式；

输入待焊工件所受的外力作用。

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