CN111680442B - 一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，包括：一，建立由三个热源组成的复合热源模型，并在双椭球热源模型和圆柱体热源模型的基础上加入坡口压缩函数；二，根据焊接接头熔合线形状应用加速步长法对焊接热源参数进行反复校核，得到相应模拟的熔池形状；三，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为确定坡口压缩函数是否准确的标准，得到最优的数值模拟热源模型。本发明通过在原有两个热源的基础上再添加一个圆柱体热源解决了深度的问题，可以较好适合于中厚板，并且在原有的双椭球与圆柱体热源的基础上加入坡口压缩函数，不仅解决了宽度的问题，还在一定程度上使得熔深更接近实际焊缝。

Description

一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，属于焊接数值模拟热源模型技术领域。

背景技术

激光电弧复合焊接具有激光焊的大熔深和普通电弧焊对装配精度要求低的特点，相比单激光焊接和单电弧焊接都有较大的优势，适合各种材料的焊接，并且在机械制造，汽车船舶和交通轨道等行业都有广泛的应用。针对激光电弧复合焊接研究公认的方法是通过数值模拟技术来研究激光电弧复合焊接工艺，从而对工程实践起到指导作用。

目前关于复合焊热源模型的研究多数采用两个热源的结合，这种情况下的复合热源模型可用较好适配于薄板，但对于中厚板多道焊的模拟却力有未逮，并且对于带坡口的模型也仅仅是热源的叠加，并没有考虑到坡口对于热源模型的影响，因此这种情况下应用在中厚板模型所模拟出来的焊缝形状与实际焊缝形状贴合程度不高。

现有技术中，针对中厚板模型仅仅采用一个双椭球与一个圆柱体热源结合的复合热源，并且也未考虑多道焊中坡口对于热源模型的影响，通过现有技术模拟所得熔池形貌与实际焊接熔池形貌在宽度和深度方向上均有较大的差别。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，解决了中厚板激光电弧复合焊接热源模型精度不高的问题。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，包括以下步骤：

步骤一，工件上半部分采用双椭球热源模型：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

后半部分椭球内热流密度分布函数为：

式中：f₁和f₂为前、后椭球的能量分布，且f₁+f₂＝2，Q为双椭球热源的热输入，a₁，a₂，b，c为双椭球热源模型参数，β，γ，θ分别为电弧主轴和x，y，z轴方向的夹角；

工件的下半部分采用两个圆柱体热源模型的结合，其控制方程为：

式中：Q_i为第i个圆柱体热源的有效功率，r_i为第i个圆柱体热源有效加热半径，H_i为第i个圆柱体热源作用高度，R(z)为圆柱体热源的热流分布函数；

步骤二，在多道焊坡口焊接中，引入坡口压缩函数λ₁用以修正多道焊坡口的双椭球热源形状参数：

式中：d为位置坐标，c为双椭球深度，α为坡口角度；

修正后双椭球热流密度表达式如下所示：

修正后前半部分椭球内热流密度分布函数为：

修正后后半部分椭球内热流密度分布函数为：

同理，引入坡口压缩函数λ₂用以修正多道焊坡口的圆柱体热源形状参数：

式中，r_i为第i个圆柱体热源有效加热半径，α为坡口角度；

修正后的圆柱体热源的热流密度表达式为:

式中：Q_i为第i个圆柱体热源的有效功率，r_i为第i个圆柱体热源有效加热半径，H_i为第i个圆柱体热源作用高度，R(z)为圆柱体热源的热流分布函数，α为坡口角度；

因此，激光电弧复合热源模型如公式:

复合热源前半部分：

其中，i＝1,2 (9)；

复合热源后半部分：

其中，i＝1,2 (10)；

步骤三，建立有限元模型，取中厚板复合多道焊匹配的焊接电压、焊接电流、激光功率、焊接速度和焊接倾角作为已知参数，根据焊接接头熔合线形状应用加速步长法对焊接热源参数进行反复校核，最后得到相对应模拟的熔池形状；

步骤四，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为确定坡口压缩函数是否准确的标准，得到最优的数值模拟热源模型。

优选地，所述步骤三中，复合热源模型反演过程中对每个双椭球与圆柱热源模型单独进行反演，反演中利用加速步长法计算得出相应的模型参数。

有益效果：本发明提供一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，通过在原有两个热源的基础上再添加一个圆柱体热源解决了深度的问题，可以较好适合于中厚板，并且在原有的双椭球与圆柱体热源的基础上加入坡口压缩函数，不仅解决了宽度的问题，还在一定程度上使得熔深更接近实际焊缝。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明建立激光电弧复合焊接热源模型示意图；

图3是本发明焊件的有限元模型网格划分示意图；

图4是实例一试验焊缝与本发明方法所得模拟的焊缝截面形貌对比；

图5是实例二实验焊缝与本发明方法所得模拟的焊缝截面形貌对比。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，如图1所示，具体按以下步骤实现：

S1，在双椭球与圆柱体热源的基础上加入坡口压缩函数，以一个双椭球与两个圆柱体热源建立适合中厚板激光电弧复合焊接热源模型。

其中，分为修正双椭球热源与圆柱体热源的坡口压缩函数，其公式分别为：

修正双椭球热源的坡口压缩函数λ₁：

修正圆柱体热源的坡口压缩函数λ₂：

将热源模型引入以上坡口压缩函数后，可得到熔池形状，以期与实验相吻合。

故得到适用于多道焊激光电弧复合焊接的热源模型如下所示：

前半部分：

其中，i＝1,2 (9)；

后半部分：

其中，i＝1,2 (10)；

式中：f₁和f₂为前、后椭球的能量分布，且f₁+f₂＝2；Q₁为双椭球热源的热输入，a₁，a₂，b，c为双椭球热源模型参数，β，γ，θ分别为电弧主轴和x，y，z方向的夹角；Q_i为圆柱体热源的有效功率，r_i为第i个圆柱体热源有效加热半径，H_i为第i个圆柱体热源作用高度，z为位置坐标，R(z)为圆柱体热源的热流分布函数，α为坡口角度。

S2，在对不同复合热源模型的反演过程中对每个双椭球与圆柱体热源单独进行反演，反演中应用加速步长法得到相应的模型参数。

本发明的步骤三中，利用加速步长法来确定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“《加速步长法反演多丝埋弧焊双椭球热源模型参数》，焊接学报，第30卷第2期”文献中记载的详细过程，最后得到相对应模拟的熔池形状。

以两个实例来详细说明此过程。

本发明的具体实施案例一如下：

对150mm×80mm×18.4mm的合金钢板进行切削加工,开30°的V型坡口,进行三道的复合热源多道焊，试样尺寸如图2所示。X80高强度管线钢在切削和表面处理之后，在其表面会存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂纸对试样进行打磨，然后用丙酮对试样进行清洗，最后用酒精对其进行擦拭。采用如表1所示的工艺参数进行焊接。

表1实例一采用的焊接工艺参数

为保证较好的计算精度和较少的计算量，在划分网格时根据模型在不同区域进行了不同划分方式和网格疏密程度，在焊缝及其附近区域采用solid70六面体热分析单元并进行细网格划分，远离焊缝的母材区部分采用solid70六面体热单元进行粗大网格划分。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0.6mm，远离焊缝的母材区部分网格单元尺寸在4.6mm。

对本发明中的三个热源模型参数单独反演，先反演出一个双椭球热源模型参数，再反演出两个圆柱体热源模型参数。对热源模型参数反演的具体过程为：将此已知焊接工艺参数代入热源模型中，对有限元模型施加FORTRAN语言编写的加入坡口压缩函数的热源模型作为热源载荷。利用加速步长法得出与实验结果相吻合的热源模型参数，得到最优的参数解。其中利用加速步长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“《加速步长法反演多丝埋弧焊双椭球热源模型参数》，焊接学报，第30卷第2期”文献中记载的详细过程。

基于模型参数得到温度场，进而获得模拟的焊接熔池形状。在图4中左边为实验所得实际熔池形状，右边为采用坡口压缩函数所得熔池形状，其中，高于1460°部分为焊缝，A₁，A₂，A₃为熔深，B₁，B₂，B₃为熔宽。对比左右形状可得，引入坡口压缩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。

以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度确定坡口压缩系数是否准确的标准，得到最优的复合热源模拟热源模型。

本发明的具体实施案例二如下：

对150mm×80mm×18.4mm的合金钢板进行切削加工,开30°的V型坡口,进行三道的复合热源多道焊，试样尺寸如图2所示。X80高强度管线钢在切削和表面处理之后，在其表面会存在碎屑和油污。因此，焊接前用砂纸对试样进行打磨，然后用丙酮对试样进行清洗，最后用酒精对其进行擦拭。采用如表2所示的工艺参数进行焊接。

表2实例二采用的焊接工艺参数

为保证较好的计算精度和较少的计算量，在划分网格时根据模型在不同区域进行了不同划分方式和网格疏密程度，在焊缝及其附近区域采用solid70六面体热分析单元并进行细网格划分，远离焊缝的母材区部分采用solid70六面体热单元进行粗大网格划分。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0.6mm，远离焊缝的母材区部分网格单元尺寸在4.6mm。

对本发明中的三个热源模型参数单独反演，先反演出一个双椭球热源模型参数，再反演出两个圆柱体热源模型参数。对热源模型参数反演的具体过程为：将此已知焊接工艺参数代入热源模型中，对有限元模型施加FORTRAN语言编写的加入坡口压缩函数的热源模型作为热源载荷。利用加速步长法得出与实验结果相吻合的热源模型参数，得到最优的参数解。其中利用加速步长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“《加速步长法反演多丝埋弧焊双椭球热源模型参数》，焊接学报，第30卷第2期”文献中记载的详细过程。

基于模型参数得到温度场，进而获得模拟的焊接熔池形状。图5中左边为实验所得实际熔池形状，右边为采用坡口压缩函数所得熔池形状，其中高于1460°部分为焊缝，C₁，C₂，C₃为熔深，D₁，D₂，D₃为熔宽。对比左右形状可得，引入坡口压缩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。

以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度确定坡口压缩系数是否准确的标准，得到最优的复合热源模拟热源模型。

本发明通过在原有两个热源的基础上再添加一个圆柱体热源解决了深度的问题，可以较好适合于中厚板，并且在原有的双椭球与圆柱体热源的基础上加入坡口压缩函数，不仅解决了宽度的问题，还在一定程度上使得熔深更接近实际焊缝。这表明本发明是一种合适的基于坡口压缩系数的中厚板激光电弧复合焊接热源模型的建模方法。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，工件上半部分采用双椭球热源模型：

前半部分椭球内热流密度分布函数为：

后半部分椭球内热流密度分布函数为：

式中：f₁和f₂为前、后椭球的能量分布，且f₁+f₂＝2，Q为双椭球热源的热输入，a₁，a₂，b，c为双椭球热源模型参数，β，γ，θ分别为电弧主轴和x，y，z轴方向的夹角；

工件的下半部分采用两个圆柱体热源模型的结合，其控制方程为：

其中，i＝1,2(3)；

式中：Q_i为第i个圆柱体热源的有效功率，r_i为第i个圆柱体热源有效加热半径，H_i为第i个圆柱体热源作用高度，R(z)为圆柱体热源的热流分布函数；

步骤二，在多道焊坡口焊接中，引入坡口压缩函数λ₁用以修正多道焊坡口的双椭球热源形状参数：

式中：d为位置坐标，c为双椭球热源模型参数，具体为双椭球深度，α为坡口角度；

修正后双椭球热流密度表达式如下所示：

修正后前半部分椭球内热流密度分布函数为：

修正后后半部分椭球内热流密度分布函数为：

同理，引入坡口压缩函数λ₂用以修正多道焊坡口的圆柱体热源形状参数：

其中，i＝1,2(7)；

修正后的圆柱体热源的热流密度表达式为:

其中，i＝1,2(8)；

因此，激光电弧复合热源模型如公式:

复合热源前半部分：

其中，i＝1,2(9)；

复合热源后半部分：

其中，i＝1,2(10)；

步骤三，建立有限元模型，取中厚板复合多道焊匹配的焊接电压、焊接电流、激光功率、焊接速度和焊接倾角作为已知参数，根据焊接接头熔合线形状应用加速步长法对焊接热源参数进行反复校核，最后得到相对应模拟的熔池形状；

步骤四，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为确定坡口压缩函数是否准确的标准，得到最优的数值模拟热源模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于坡口压缩系数的激光电弧热源模型的建模方法，其特征是，所述步骤三中，复合热源模型反演过程中对每个双椭球与圆柱热源模型单独进行反演，反演中利用加速步长法计算得出相应的模型参数。

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