CN112016228B - 一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法。步骤包括：一，建立由两个热源组成的复合热源模型，并在双椭球热源模型和高斯体热源模型的基础上考虑水下焊时水深、水速、水温对电弧的压缩作用；二，根据焊接接头熔合线形状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水冷压缩函数是否准确的标准，从而得到最优的数值模拟热源模型。本发明通过在原有的双椭球热源的基础上再添加一个高斯体热源，不仅使模拟的熔池形状与实际形状更符合，而且考虑了水深、水压、水温的影响，添加了修正函数，使热源模型更适用实际的焊接问题。

Description

一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法

技术领域

本发明属于焊接数值模拟热源模型技术领域，具体涉及一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法。

背景技术

水下焊接具有成本低、设备简单，应用前景广大的特点。海洋资源广大，海洋工程结构和装备需求量大，水下焊接技术是海洋工程结构的基础和支撑。对于水下焊接的数值模拟并不多，采用数值模拟与试验验证的方式，对研究水下焊接热过程提供了理论依据，从而为工程实践起指导作用。

目前关于水下焊热源模型的研究多数采用双椭球热源模型或者双椭球热源模型与高斯体热源的复合模型，这两种热源模型均未考虑水深、水流、水压对焊接热过程的影响，所以这两种热源模型模拟出来的焊缝形状与实际的焊缝形状吻合度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法，解决了水下焊接热源模型精度不高的问题，其特征是，包括以下步骤：

第一步，建立由两个热源组成的复合热源模型；

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方向的夹角。

工件的下半部分采用高斯体热源模型的结合，控制方程为：

式中：r是距热源中心的距离；r₀为加热斑点的半径。

第二步，在水下焊焊接中，由于水深增大，水下的压力增大，加上水对电弧有冷却作用，电弧受压缩程度增加，电位梯度也增加，电弧的能量密度会更加集中，从而能量密度会因水深的增加而变化。采用长度和宽度递减、深度递增的一组热源分布函数来表征电弧集中的程度不同，从而显示水深对电弧的影响。为此，引入压缩函数δ₁用以修正水下焊高斯体热源形状参数：

式中：r是距热源中心的距离；r₀为加热斑点的半径。

同理，水流速度会影响工件表面的对流换热系数，靠近焊缝区的局部的水可能会沸腾，沸腾会对换热产生很大影响。为此，引入压缩函数δ₂用以修正水下焊高斯体热源形状参数：

式中：r是距热源中心的距离；r₀为加热斑点的半径。

最后，水温本身也会影响电弧的压缩程度。一般来说，水的温度越低对电弧的压缩程度更强。为此，引入压缩函数δ₃用以修正水下焊高斯体热源形状参数：

式中：h为热源任意截面高度，m为调节系数，r₀为加热斑点的半径。

修正后高斯体热源模型表达式如下所示：

第三步，建立有限元模型，取一组水下焊匹配的焊接电压、焊接电流焊接速度作为已知参数，根据焊接接头熔合线形状对焊接热源参数进行反复校核，得到相对应模拟的熔池形状；

第四步，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为确定三个水冷压缩函数是否准确的标准，得到最优的数值模拟热源模型。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法。通过根据现有技术模拟所得水下焊熔池形貌与实际焊接熔池形貌差距较大。本发明通过在原有双椭球热源的基础上添加了一个高斯体热源来表述电弧的受压缩程度，并且在原有的双椭球与高斯体热源的基础上加入水冷压缩函数，让热源模型更加精确，从而使模拟出的焊缝熔池形状与实际焊缝的熔池形状吻合度更高。这表明本发明是一种合适的水下焊接热源模型的建立方法。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2热源上下部分分区示意图；

图3热源前后部分分区示意图；

图4是本发明焊件的有限元模型网格划分示意图；

图5是实例试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

本发明为水下焊接热源模型的建立方法，如图1所示，具体按以下步骤实现：

第一步，在双椭球与高斯体热源的基础上加入水冷压缩函数，以一个双椭球与高斯体热源建立适合水下焊接热源模型。

工件上半部分，如图2所示，采用双椭球热源模型：

如图3所示，前半部分椭球内热流密度分布函数为：

如图3所示，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方向的夹角。

工件的下半部分采用高斯体热源模型的结合，控制方程为：

式中：r是距热源中心的距离；r₀为加热斑点的半径。

现有技术中，仅用双椭球与高斯体复合热源模拟水下焊接热过程，所得到的模拟焊缝形状与实际的焊缝形状吻合度不高，且均没有考虑水深、水速、水温等因素对电弧的影响。

因此本发明通过添加水冷修正函数，考虑了电弧受压缩的问题，还在一定程度上可以使熔深更接近实际焊缝。

其中修正的高斯体热源的公式为：

修正高斯体热源的水冷压缩函数δ₁：

修正高斯体热源的水冷压缩函数δ₂：

修正高斯体热源的水冷压缩函数δ₃：

将热源模型引入以上水冷压缩函数后，可得到熔池形状，以期与实验相吻合。

第二步，用修正后的热源模型模拟水下焊接过程，并且进行实际实验操作，对比模拟焊缝形状与实际焊缝形状的吻合度。

本发明的具体实施案例如下：

如图4所示，对200mm×80mm×16mm的Q345钢板开30°V形坡口，钝边为2mm，进行水下焊接，采用如表1所示的工艺参数进行焊接。

表1实例采用的焊接工艺参数

建立有限元模型，划分网格，使用的修正后的双椭球与高斯体热源模型，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，右边为采用水冷压缩函数所得熔池形状。对比左右形状可得，引入水冷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水冷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。以所得熔深熔宽与实际测量焊件的熔深熔宽相差小于10％为判据，得到最优的参数解。

用修正的热源模型模拟所得打底焊道熔深熔宽与实验所得熔深、熔宽数据如下表2所示。误差率在7％以下，符合判据要求。

表2打底焊道模拟结果与实验结果对比

图5中左边为实验所得实际熔池形状，右边为采用水冷压缩函数所得熔池形状。对比左右形状可得，引入水冷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水冷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。以所得熔深熔宽与实际测量焊件的熔深熔宽相差小于10％为判据，得到最优的参数解。

本发明通过在原有两个热源的基础上添加了水冷修正函数解决了电弧受压缩程度较高的问题，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水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法。

Claims (1)

1.一种基于水冷压缩系数的水下焊接热源模型的建模方法，包括以下步骤：

第一步，建立由两个热源组成的复合热源模型；

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方向的夹角；

工件的下半部分采用高斯体热源模型，控制方程为：

式中：Q_G为高斯热源作用的总功率，r₀为加热斑点的半径；

第二步，考虑水深的影响，引入水冷压缩函数δ₁用以修正水下焊高斯体热源形状参数：

式中：r是距热源中心的距离；r₀为加热斑点的半径；

考虑水流速度的影响，引入水冷压缩函数δ₂用以修正水下焊高斯体热源形状参数：

考虑水温的影响，引入水冷压缩函数δ₃用以修正水下焊高斯体热源形状参数：

式中：h为热源任意截面高度，m为调节系数，r₀为加热斑点的半径；

修正后的高斯体热源的热源模型表达式为：

第三步，建立有限元模型，选取与水下焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度作为已知参数，根据焊接接头熔合线形状对焊接热源函数进行反复校核，得到相对应模拟的熔池形状；

第四步，根据模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度来确定三个水冷压缩函数δ₁、δ₂、δ₃是否准确的标准；从而得到最优的数值模拟热源模型。

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