CN110064830B - 一种电阻缝焊工艺参数的获取方法及焊接方法 - Google Patents

一种电阻缝焊工艺参数的获取方法及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电阻缝焊工艺参数的获取方法及焊接方法，属于焊接领域。其中，电阻缝焊工艺参数的获取方法，最快焊接速度通过以下步骤确定：基于有限元法，建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块；根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，给定的焊接电流、电极压力与搭接量，提取出熔核尺寸和塑性环尺寸；以熔核尺寸和塑性环尺寸为约束条件，求解最快焊接速度。本发明通过窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块获取作为约束条件的熔核尺寸和塑性环尺寸，能够在保证焊接质量、避免断带事故发生的前提下，求解最快焊接速度，本发明无需通过多次的现场试验，有利于节约时间、人力和物力。

Description

一种电阻缝焊工艺参数的获取方法及焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体地说，涉及一种电阻缝焊工艺参数的获取方法及焊接方法。
背景技术
窄搭接电阻缝焊属于电阻焊，是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊件装配成搭接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。窄搭接电阻缝焊是焊件连续生产线中最常用的焊接方法，该焊接方法具有生产效率高、成本低、适用于自动化生产等优点。为了保证连续生产，需要将原料带钢卷的前行钢卷尾和后行钢卷头焊接到一起，但随着带钢强度的不断增加，材料焊接性越来越差。特别是对于高强钢，由于高强钢含碳以及合金元素较多，易于出现淬硬组织，从而使冷裂纹倾向增加，此外还有晶粒粗化、热影响区软化等问题，使焊接工艺窗口越来越窄。如果焊接质量不合格，就有可能导致断带事故的发生，造成巨大的经济损失。
为了保证焊接质量，一方面需要形成一定尺寸的熔核，从而保证接头强度满足使用要求；另一方面需要避免焊接过程中喷溅的发生。由于窄搭接电阻缝焊质量影响因素众多，包括材料性能、焊接电流、焊接速度、电极压力、搭接量等，各影响因素之间还会互相耦合。因此，传统的通过现场试验确定工艺窗口的方法，不仅费时费力，并且也很难找到最优的工艺参数。例如，专利公开号：CN105618916A，公开日：2016年6月1日，发明创造名称为：980MPa级别冷轧双相钢的焊接方法。其中，980MPa级别冷轧双相钢的焊接方法，采用窄搭接焊机进行焊接，将前卷带钢带尾和后卷带钢带头入口剪切，然后相互搭接进行焊接，焊接工艺参数为：焊接电流为19～23kA；焊接速度为6～9m/min；焊轮压力为20～25kN；焊接搭接量为1.5～1.7mm；焊接补偿量为1.0～1.2mm；一般来说，需要通过多次的现场试验才能得到这些焊接工艺参数，即这些焊接工艺参数的获取需要耗费大量的时间和人力。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有焊接工艺参数获取困难的问题，本发明提供一种电阻缝焊工艺参数的获取方法。本发明利用有限元法建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，以获取作为约束条件的熔核尺寸和塑性环尺寸，求解最快焊接速度，一方面，有利于在保证焊接质量、避免断带事故发生的前提下，提高生产效率；另一方面，本发明无需通过多次的现场试验，有利于节约时间、人力和物力。
本发明还提供一种焊接方法，本发明采用优化后的电阻缝焊工艺参数，在保证焊接质量、避免断带事故发生的前提下，提高生产效率。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种电阻缝焊工艺参数的获取方法，最快焊接速度通过以下步骤确定：
基于有限元法，建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块；
根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，给定的焊接电流、电极压力与搭接量，提取出熔核尺寸和塑性环尺寸，以熔核尺寸和塑性环尺寸为约束条件，按以下步骤求解最快焊接速度：
选取第一初始焊接速度v0，第二初始焊接速度v1；
对于k＝1，2，3……执行如下步骤：
步骤e、焊接速度记为vk，输入焊接速度vk以及给定的焊接电流、电极压力与搭接量，求解窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布，根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布提取出熔核尺寸dk和塑性环尺寸ck；
步骤f、计算
Figure BDA0002087363710000021
步骤g、如果
Figure BDA0002087363710000022
并且ck+1-dk+1≥0.2δ，δ为待焊接冷轧带钢的厚度；
那么，vk+1即为给定的焊接电流、电极压力与搭接量条件下的最快焊接速度，否则重复步骤e至步骤g。
较优选的，在有限元分析软件中，建立所述窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，具体步骤如下：
步骤a、按照待焊焊件的尺寸、滚轮电极的尺寸以及搭接量，按照1∶1的比例建立计算模型；
步骤b、划分网格，单元类型为热-电-力耦合单元，在焊缝处网格尺寸应不大于1mm×1mm；
步骤c、输入冷轧带钢以及窄搭接电阻缝焊机电极材料的物理参数和边界条件，在滚轮电极处施加载荷条件；
步骤d，计算求解。
较优选的，焊接电流、电极压力与搭接量参数的最优组合通过以下步骤确定：
步骤1、确定允许的焊接电流、电极压力与搭接量范围条件下，利用内罚函数法，建立焊接速度优化函数；
步骤2、根据步骤1建立的焊接速度优化函数，利用修正鲍威尔法，搜索最快焊接速度中的最大值，求解与最快焊接速度中的最大值对应的焊接电流、电极压力与搭接量的最优组合。
本发明还提供一种焊接方法，采用窄搭接焊机对焊件进行电阻缝焊，电阻缝焊工艺参数通过上述电阻缝焊工艺参数的获取方法获得。
较优选的，所述焊件为冷轧带钢。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的电阻缝焊工艺参数的获取方法，有利于提高生产效率；本发明利用有限元法建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，根据给定焊接电流、电极压力与搭接量，获取作为约束条件的熔核尺寸和塑性环尺寸；通过约束条件，保证形成足够尺寸的熔核，避免焊接过程中喷溅发生；在约束条件下，得到最快焊接速度，以提高生产效率；并且，本发明无需通过多次的现场试验，有利于节约时间、人力和物力。
(2)本发明的电阻缝焊工艺参数的获取方法，利用了修正鲍威尔法进行搜索，修正鲍威尔法具有收敛速度快的优点；在允许的焊接电流、电极压力与搭接量范围条件下，能够快速的搜索到最快焊接速度中的最大值，求解与最快焊接速度中的最大值对应的焊接电流、电极压力与搭接量的最优组合，在保证焊接质量、避免断带事故发生的前提下，尽可能提高生产效率。
(3)本发明的焊接方法，采用优化后的电阻缝焊工艺参数，有利于在保证焊接质量、避免断带事故发生的前提下，提高生产效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
一种焊接方法，采用窄搭接焊机对焊件进行电阻缝焊，焊件可以采用各种钢材，如冷轧带钢、热轧带钢以及镀锌带钢等，在本实施例中，焊件采用冷轧带钢。
电阻缝焊工艺参数中，焊接电流I、电极压力F与搭接量S已给定，在此条件下，最快焊接速度通过以下步骤求解：
基于有限元法，建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，在本实施例中，在SYSWELD有限元分析软件中建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，具体步骤如下：
步骤a、按照冷轧带钢的尺寸、滚轮电极的尺寸以及搭接量，按照1∶1的比例建立计算模型；可以在SYSWELD有限元分析软件中直接建立计算模型；也可以利用UG软件建立计算模型，导入到SYSWELD有限元分析软件中；
步骤b、划分网格，单元类型为热-电-力耦合单元，为了保证计算精度，焊缝处网格尺寸的网格尺寸较细，这里，在焊缝处网格尺寸应不大于1mm×1mm；
步骤c、输入冷轧带钢以及窄搭接电阻缝焊机电极材料的物理参数和边界条件，在滚轮电极处施加载荷条件，包括焊接电流I、电极压力F；
步骤d，利用SYSWELD有限元分析软件的求解器，计算求解。
其中，物理参数材料是指密度、电导率、热导率、比热、熔化潜热、弹性模型、屈服强度和热膨胀系数。边界条件是指环境温度和散热系数。
常用的焊接专业的有限元分析软件还有HEARTS、ABAQUS等。在本实施例中，选用SYSWELD有限元分析软件，SYSWELD有限元分析软件包括焊接向导，能够一步一步指导操作者完成前后处理，操作简单方便。并且，SYSWELD有限元分析软件具有强大的模拟分析功能，在求解过程中充分考虑了材料的金相变化或者组织变化，实现了热、电、力的耦合计算。
基于窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，根据给定的焊接电流、电极压力与搭接量，求解最快焊接速度：
选取第一初始焊接速度v0，第二初始焊接速度v1；
对于k＝1，2，3……执行如下步骤：
步骤e、焊接速度记为vk，输入焊接速度vk、焊接电流I、电极压力F与搭接量S，求解窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布，根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布提取出熔核尺寸dk和塑性环尺寸ck，具体的来说，根据温度场的分布，超过熔点的部分即为熔核，以此提取熔核尺寸dk；根据应力场的分布，塑性应变超过0.1即为塑性环，以此提取塑性环尺寸ck；
步骤f、计算
Figure BDA0002087363710000041
步骤g、如果
Figure BDA0002087363710000042
并且ck+1-dk+1≥0.2δ，δ为待焊接冷轧带钢的厚度；
那么，vk+1即为给定的焊接电流I、电极压力F与搭接量S条件下的最快焊接速度，否则重复步骤e至步骤g。
本实施例中，在给定焊接电流I、电极压力F与搭接量S的条件下，以熔核尺寸dk和塑性环尺寸ck为约束条件，得到最快焊接速度。
这里，以熔核尺寸dk和塑性环尺寸ck为约束条件，能够保证形成足够尺寸的熔核，避免焊接过程中喷溅发生，即保证焊接质量；采用最快焊接速度，有利于提高生产效率。
实施例2
一种焊接方法，采用窄搭接焊机对焊件进行电阻缝焊，在本实施例中，窄搭接焊机采用西门子ML21M窄搭接电阻缝焊机，其焊接能力：焊接电流I不大于41KA，电极压力F不大于3000N，搭接量S不小于1.0mm；待焊接的焊件选用冷轧带钢中的DP780钢，其厚度δ＝2.21mm。
电阻缝焊工艺参数包括焊接速度v、焊接电流I、电极压力F与搭接量S。
其中，焊接速度v决定了焊缝的放热时间，当焊接速度v增大时，为了获得足够的热量，必须增大焊接电流I；焊接电流I的大小，决定了熔核的焊透率和重叠量，焊接电流I超过某一定值时，继续增大电流只能增大熔核的焊透率和重叠量而不会提高接头强度；电极压力F过高会使压痕过深，同时会加速滚轮电极的变形和损耗，电极压力F不足则易产生缩孔，并会因接触电阻过大易使滚轮电极烧损而缩短其使用寿命；搭接量S过小将导致焊缝宽度过窄，降低焊缝强度，搭接量S过大将导致焊缝温度过低，降低焊缝强度。
在本实施例中，优化的焊接工艺参数通过以下步骤确定：
步骤1、根据西门子ML21M窄搭接电阻缝焊机的能力以及连续冷轧生产线的实际生产要求，确定允许的焊接电流I、电极压力F与搭接量S范围，在此基础上，利用内罚函数法，建立焊接速度v优化函数。这里，焊接速度v优化函数为：
Figure BDA0002087363710000051
其中，g1＝I-Imax≤0，g2＝F-Fmax≤0，g3＝-S+Smin≤0；
焊接电流的取值范围为0＜I≤Imax，电极压力的取值范围为0＜F≤Fmax，搭接量的取值范围为S≥Smin，rk为惩罚因子。在本实施例中，Imax＝41KA，Fmax＝3000N，Smin＝1.0mm。
步骤2、根据步骤1建立的焊接速度v优化函数，利用修正鲍威尔法，搜索最快焊接速度中的最大值并记为v*，求解与焊接速度最大值v*对应的焊接电流I、电极压力F与搭接量S的最优组合，具体步骤如下：
步骤2.1、确定一组初始参数X(0)＝[I0，F0，S0]T，收敛精度ε和惩罚因子递增序数c，在本实施例中，ε＝0.001，c＝5；
步骤2.2、求解minf(X，rk)，记此时的X取值为X*，令X(k+1)＝X*；
步骤2.2.1、对于j＝0，1，2，3……，分别使用0.618法，从初始参数X(0)＝[I0，F0，S0]T出发，分别沿[I，F，S]T＝[1，0，0]T，[0，1，0]T和[0，0，1]T方向，搜索最快焊接速度中的最大值并记为v*，得到参数
Figure BDA0002087363710000052
在本实施例中，对于每一组[I，F，S]，其最快焊接速度通过以下步骤求解：
步骤2.2.1.1、基于有限元法，建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，在本实施例中，在SYSWELD有限元分析软件中建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，具体步骤如下：
步骤a、按照冷轧带钢的尺寸、滚轮电极的尺寸以及搭接量，按照1∶1的比例建立计算模型；
步骤b、划分网格，单元类型为热-电-力耦合单元，在焊缝处网格尺寸应不大于1mm×1mm；
步骤c、输入冷轧带钢以及窄搭接电阻缝焊机电极材料的物理参数和边界条件，在滚轮电极处施加载荷条件，包括焊接电流I、电极压力F；
步骤d，计算求解。
其中，物理参数材料是指密度、电导率、热导率、比热、熔化潜热、弹性模型、屈服强度和热膨胀系数。边界条件是指环境温度和散热系数。
步骤2.2.1.2、基于窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，根据给定的焊接电流、电极压力与搭接量，求解最快焊接速度：
选取第一初始焊接速度v0，第二初始焊接速度v1，在本实施例中，v0＝1m/min，v1＝12m/min；
对于k＝1，2，3……执行如下步骤：
步骤e、焊接速度记为vk，输入焊接速度vk、焊接电流I、电极压力F与搭接量S，求解窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布，根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布提取出熔核尺寸dk和塑性环尺寸ck，具体的来说，根据温度场的分布，超过熔点的部分即为熔核，以此提取熔核尺寸dk；根据应力场的分布，塑性应变超过0.1即为塑性环，以此提取塑性环尺寸ck；
步骤f、计算
Figure BDA0002087363710000061
步骤g、如果
Figure BDA0002087363710000062
并且ck+1-dk+1之0.2δ，δ为待焊接冷轧带钢的厚度；
那么，vk+1即为给定的焊接电流I、电极压力F与搭接量S条件下的最快焊接速度，否则重复步骤e至步骤g。
步骤2.2.2、判断是否：
Figure BDA0002087363710000063
且
Figure BDA0002087363710000064
如果是，那么此时
Figure BDA0002087363710000065
即为所求的参数X*，否则继续步骤2.2.3；
步骤2.2.3、求最大下降量Δm：
Figure BDA0002087363710000066
步骤2.2.4、构建新的搜索方向
Figure BDA0002087363710000071
求其反射点
Figure BDA0002087363710000072
令
Figure BDA0002087363710000073
Figure BDA0002087363710000074
y2＝(f1-2f2+f3)(f1-f2-Δm)2；
步骤2.2.5、判断是否f3＜f1，y2＜y1；
如果是，则沿
Figure BDA0002087363710000075
方向搜索
Figure BDA0002087363710000076
并替换方向
Figure BDA0002087363710000077
Figure BDA0002087363710000078
令
Figure BDA0002087363710000079
转步骤2.2.4继续计算；
否则维持原方向；
当f2＜f3，
Figure BDA00020873637100000710
转步骤2.2.4继续计算；
当f2＞f3，
Figure BDA00020873637100000711
转步骤2.2.4继续计算；
步骤2.3、判断是否：||X(k+1)-X(k)||≤ε且
Figure BDA00020873637100000712
如果是，则停止计算，此时f(X(k+1))为最快焊接速度，参数X*对应的焊接电流I、电极压力F与搭接量S为最优组合；
否则令rk+1＝crk，k＝k+1，并返回到步骤2.2进行计算；
其中，k＝0，1，2，3……。
经步骤1和步骤2优化后的焊接工艺参数为：焊接速度4.5m/min，焊接电流21KA，电极压力2500N，搭接量2.4mm。
为了充分说明本实施带来的有益效果，这里，进行了多组对比试验，各组试验的焊接工艺参数选择如下表1所示：
表1焊接工艺参数试验数据
Figure BDA00020873637100000713
其中，试验1至试验3中，采用相同的焊接电流、电极压力、搭接量组合，焊接速度作为变量；试验3的焊接速度虽然较大，但试验3的焊缝质量不符合要求，试验1和试验2的焊缝质量符合要求，因此，试验1和试验2中的焊接工艺参数均可采用，并且，由于试验2采用的焊接速度更大，因此，优先采用试验2中的焊接工艺参数。
将试验2和试验4进行对比，试验2和试验4的焊接速度相同，焊接电流、电极压力和搭接量的组合作为变量，试验4焊缝质量较低，试验4中的焊接工艺参数不宜采用。
将试验2和试验5进行对比，试验2和试验5中采用不同的焊接速度以及不同的焊接电流、电极压力和搭接量的组合，虽然，试验5中的焊接速度较大，但试验5的焊缝质量较低，容易出现断带事故，因此，试验5中的焊接工艺参数不宜采用。
由此可知，本实施例采用的焊接电流21KA、电极压力2500N、搭接量2.4mm为最优组合，能够确保形成足够尺寸的熔核、避免断带事故发生；本实施例采用的焊接速度4.5m/min，有利于生产效率的大幅度提高。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电阻缝焊工艺参数的获取方法，其特征在于：最快焊接速度通过以下步骤确定：
基于有限元法，建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块；
根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，给定的焊接电流、电极压力与搭接量，提取出熔核尺寸和塑性环尺寸，以熔核尺寸和塑性环尺寸为约束条件，按以下步骤求解最快焊接速度：
选取第一初始焊接速度v0,第二初始焊接速度v1；
对于k＝1,2,3……执行如下步骤：
步骤1、焊接速度记为vk，输入焊接速度vk以及给定的焊接电流、电极压力与搭接量，求解窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布，根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场分布提取出熔核尺寸dk和塑性环尺寸ck；
步骤2、计算
Figure FDA0002802393110000011
步骤3、如果
Figure FDA0002802393110000012
并且ck+1-dk+1≥0.2δ，δ为待焊接冷轧带钢的厚度；
那么，vk+1即为给定的焊接电流、电极压力与搭接量条件下的最快焊接速度，否则重复步骤1至步骤3。
2.根据权利要求1所述的电阻缝焊工艺参数的获取方法，其特征在于：在有限元分析软件中，建立所述窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，具体步骤如下：
步骤a、按照待焊焊件的尺寸、滚轮电极的尺寸以及搭接量，按照1:1的比例建立计算模型；
步骤b、划分网格，单元类型为热-电-力耦合单元，在焊缝处网格尺寸应不大于1mm×1mm；
步骤c、输入冷轧带钢以及窄搭接电阻缝焊机电极材料的物理参数和边界条件，在滚轮电极处施加载荷条件，载荷条件包括焊接电流I、电极压力F；所述物理参数是指密度、电导率、热导率、比热、熔化潜热、弹性模型、屈服强度和热膨胀系数；所述边界条件是指环境温度和散热系数；
步骤d，计算求解。
3.根据权利要求1所述的电阻缝焊工艺参数的获取方法，其特征在于：焊接电流、电极压力与搭接量参数的最优组合通过以下步骤确定：
步骤1、确定允许的焊接电流、电极压力与搭接量范围条件下，利用内罚函数法，建立焊接速度优化函数；
步骤2、根据步骤1建立的焊接速度优化函数，利用修正鲍威尔法，搜索最快焊接速度中的最大值，求解与最快焊接速度中的最大值对应的焊接电流、电极压力与搭接量的最优组合。
4.一种焊接方法，采用窄搭接焊机对焊件进行电阻缝焊，其特征在于：电阻缝焊工艺参数通过权利要求3所述电阻缝焊工艺参数的获取方法获得。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：所述焊件为冷轧带钢。
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