CN112380743B - 一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法 - Google Patents

一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，包括S1：确定焊接应变阈值，通过热裂实验，确定不同材料焊接裂纹出现的应变阈值；并采用有限元模拟技术确定不同焊接参数下的焊接应变；S2：确定焊缝形状，通过正交实验在不同参数下，焊接异种钢材，并使用线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深和熔宽；S3：确定焊接参数、焊接应变阈值和焊缝形状的函数关系。解决了传统的激光焊接工艺的参数选择，都是采用试错法进行匹配，参数确定周期长，焊接效率低，且使用成本较高，无形中增加了使用成本的问题。

Description

一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法。
背景技术
随着激光焊接技术的快速发展，其在造船、汽车制造、电站设备、石油化工以及桥梁建设等领域的应用日益广泛，同时不同部位使用不同材料可以充分发挥材料的机械性能，而激光焊接技术可以将异种钢有效连接起来，激光焊接参数，如激光功率、焊接速度、频率和离焦量对焊接质量和焊缝成形有重要影响，国内外学者对上述参数进行了相关研究，但没有系统性的进行整合，激光焊接的工艺参数选择，通常采用试错法进行匹配，存在周期长、效率低、成本高等问题，对操作者技术要求高，且具有一定的盲目性，因此开展异种钢激光焊接工艺研究，确定一种焊接参数的确定方法，具有重大的学术应用价值和应用前景，为此，我们提出一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，从焊缝产生裂纹的机理出发，用数学公式的方法将激光焊接中涉及到的参数和焊接裂纹与焊缝形状标准耦合起来，普通焊工只需输入焊缝形状要求就可以得出满足要求且无裂纹的焊接参数，提高了科学性和应用范围，降低了焊接参数的试错次数的优点，解决了传统的激光焊接工艺的参数选择，都是采用试错法进行匹配，参数确定周期长，焊接效率低，且使用成本较高，无形中增加了使用成本的问题。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，包括
S1：确定焊接应变阈值，通过热裂实验，确定不同材料焊接裂纹出现的应变阈值；并采用有限元模拟技术确定不同焊接参数下的焊接应变；
S2：确定焊缝形状，通过正交实验在不同参数下，焊接异种钢材，并使用线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深和熔宽；
S3：确定焊接参数、焊接应变阈值和焊缝形状的函数关系，其中功率为P，焊速为v，频率为f和离焦量为h，在不同焊接参数下P、v、f和h下，异种钢A和B焊缝脆性转变温度区间的最大应变值分别为CA和CB，定义两种存在函数关系，即：
Figure GDA0003909242480000021
Figure GDA0003909242480000022
由于在工程应用中，对焊缝熔深d和熔宽w都有要求，设定标准值为d0和w0同时，熔深d和熔宽w与焊接参数的关系可表达为：
Figure GDA0003909242480000023
Figure GDA0003909242480000024
/>
优选的，所述热裂实验的具体过程如下：
S1.1：将待加工试样右端进行夹持，左端处于自由状态，在试样左端开设一个缺口，沿试样中心线进行焊接，并确定焊缝隙；
S1.2：对试样进行焊接，观察焊缝是否产生裂纹，无裂纹用OK表示，有裂纹用NG表示；
S1.3：重复步骤一和步骤二对异种钢A和B进行实验，确定A和B在不同焊接参数下的裂纹情况；
S1.4：实验完成后，使用建模软件对试样在不同焊接参数下进行模拟。优选的，所述正交实验的具体操作如下：
S2.1：所述功率P取值为：1.5KW-2.5KW中的三个值；所述焊速v取值为：4mm/s-6mm/s中的三个值；所述频率f取值：13HZ-17HZ中的三个值；所述离焦量h取值为：-2mm-2mm中的三个值；
S2.2：采用正交实验表来对各个数据进行排列，依次焊接异种钢材，通过线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深d和熔宽w。
优选的，在步骤S1.4完成后，采取柱状热源模型，计录不同焊接参数下缺口焊缝处在脆性温度区间内的最大应变值εu，u＝1-9，将应变按试样次数用曲线表示，找出一个临界值ki，i＝1或2，高于ki，出现裂纹；低于ki，无裂纹，也即确定了k1和k2值。
优选的，通过有限元建模结合实验来确定异种钢A和B的k1和k2值，通过使用建模软件，确定不同焊接参数，其中功率为P、焊速为v、频率为f和离焦量为h下的焊缝在脆性温度区间内最大应变值，再结合焊接试验裂纹情况NG或OK来确定k1和k2值。
优选的，所述S3的具体操作如下；
S3.1：通过多参数多项式耦合的方式将焊接参数功率P，焊速v，频率f、离焦量h与CA和CB，以及熔深d和熔宽w之间建立联系，表达式如下：
Figure GDA0003909242480000031
用矩阵形式表达为：
Figure GDA0003909242480000032
S3.2：其中ax，bx，cx，dx，x＝1-8是多项式系数，δj，j＝1-4是常数项，P是功率，v是焊速，f是频率，h是离焦量，d和w是熔深和熔宽，CA和CB是不同材料的焊接应变，且满足：CA<k1和CB<k2。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明与现有技术相比，通过热烈实验，确定应变阈值，并通过线切割方法截取焊缝截面，从焊缝产生裂纹的机理出发，使得数据测试的结果更加准确；2、本发明与现有技术相比，通过采用多项式耦合函数，将实验过程中所得到的参数与耦合函数结合起来，建立数学模型，有效降低了焊接参数的试错次数，提高了实验结果的科学性和准确性。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的异种钢激光穿透焊接示意图；
图3为本发明的热裂实验示意图；
图4为本发明的焊缝金相示意图；
图5为本发明的有限元模型示意图；
图6为本发明试样裂纹结果统计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1-图6，一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，包括
S1：确定焊接应变阈值，通过热裂实验，确定不同材料焊接裂纹出现的应变阈值；并采用有限元模拟技术确定不同焊接参数下的焊接应变；
S2：确定焊缝形状，通过正交实验在不同参数下，焊接异种钢材，并使
用线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深和熔宽；
S3：确定焊接参数、焊接应变阈值和焊缝形状的函数关系，其中功率为P，焊速为v，频率为f和离焦量为h，在不同焊接参数下P、v、f和h下，异种钢A和B焊缝脆性转变温度区间的最大应变值分别为CA和CB，定义两种存在函数关系，即：
Figure GDA0003909242480000051
Figure GDA0003909242480000052
由于在工程应用中，对焊缝熔深d和熔宽w都有要求，设定标准值为d0和w0同时，熔深d和熔宽w与焊接参数的关系可表达为：
Figure GDA0003909242480000053
Figure GDA0003909242480000054
优选的，热裂实验的具体过程如下：
S1.1：将待加工试样右端进行夹持，左端处于自由状态，试样长×宽×
厚为140mm×30mm×4mm，距试样左端25mm处开一个宽度为1mm的缺口，
沿试样中心线距左端5mm进行焊接，焊缝长度为65mm；
S1.2：采取四因素三水平的正交实验对试样进行焊接，由于缺口处焊缝存在过热区，容易在此处形成裂纹观察缺口处是否出现裂纹，观察焊缝是否产生裂纹，无裂纹用OK表示，有裂纹用NG表示；
S1.3：重复步S1.1和S1.2对异种钢A和B进行实验，确定A和B在不同焊接参数下的裂纹情况；
S1.4：实验完成后，使用建模软件Simufact.welding对试样在不同焊接参数下进行模拟；
在步骤S1.4完成后，采取柱状热源模型，计录不同焊接参数下缺口焊缝处在脆性温度区间内的最大应变值εu，u＝1-9，将应变按试样次数用曲线表示，找出一个临界值ki，i＝1或2，高于ki，出现裂纹；低于ki，无裂纹，也即确定了k1和k2值，通过有限元建模结合实验来确定异种钢A和B的k1和k2值，结合焊接试验裂纹情况NG或OK来确定k1和k2值，其中当取值u＝2时，k1＝11.23％，k2＝12.35％；
优选的，正交实验的具体操作如下：
S2.1：功率P取值为：1.5KW；焊速v取值为：4mm/s；频率f取值：13HZ；离焦量h取值为：-2mm，请参阅表1：
表1为正交实验参数表
Figure GDA0003909242480000061
根据正交参数实验表，采取正交实验，可以有效减少实验次数；
S2.2：采用正交实验表来对各个数据进行排列，依次焊接异种钢材，通过线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深d和熔宽w。
优选的，S3的具体操作如下；
S3.1：通过多参数多项式耦合的方式将功率P＝1.5KW；焊速v＝4mm/s；频率f＝13HZ；离焦量h＝-2mm与CA和CB，以及熔深d和熔宽w之间建立联系，表达式如下：
Figure GDA0003909242480000071
用矩阵形式表达为：
Figure GDA0003909242480000072
S3.2：其中ax，bx，cx，dx，x＝1-8是多项式系数，δj，j＝1-4是常数项，P是功率，v是焊速，f是频率，h是离焦量，d和w是熔深和熔宽，CA和CB是不同材料的焊接应变，且满足：CA<k1和CB<k2，最后焊接标准参数取得熔深d＝0.5mm，熔宽w＝0.75mm，k1＝11.23％，k2＝12.35％，当通过上述耦合函数得到数据后，将其导入至自定义编程的图形用户GUI界面中，并通过编程语言嵌入到焊机中。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，其特征在于：包括
S1：确定焊接应变阈值，通过热裂实验，确定不同材料焊接裂纹出现的应变阈值；并采用有限元模拟技术确定不同焊接参数下的焊接应变；
S2：确定焊缝形状，通过正交实验在不同参数下，焊接异种钢材，并使用线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深和熔宽；
S3：确定焊接参数、焊接应变阈值和焊缝形状的函数关系，在不同焊接参数下P、v、f和h下，异种钢A和B焊缝脆性转变温度区间的最大应变值分别为CA和CB，定义两种存在函数关系，即：
Figure FDA0003909242470000011
Figure FDA0003909242470000012
由于在工程应用中，对焊缝熔深d和熔宽w都有要求，设定标准值为d0和w0同时，熔深d和熔宽w与焊接参数的关系可表达为：
Figure FDA0003909242470000013
Figure FDA0003909242470000014
所述S3的具体操作如下：通过多参数多项式耦合的方式将焊接参数：P、v、f、h与CA和CB，以及熔深d和熔宽w之间建立联系，表达式如下：
Figure FDA0003909242470000015
其中ax，bx，cx，dx，x＝1-8是多项式系数，δj，j＝1-4是常数项，P是功率，v是焊速，f是频率，h是离焦量，d和w是熔深和熔宽，CA和CB是不同材料的焊接应变。
2.根据权利要求1所述的一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，其特征在于：所述热裂实验的具体过程如下：
S1.1：将待加工试样右端进行夹持，左端处于自由状态，在试样左端开设一个缺口，沿试样中心线进行焊接，并确定焊缝隙；
S1.2：对试样进行焊接，观察焊缝是否产生裂纹，无裂纹用OK表示，有裂纹用NG表示；
S1.3：重复步骤一和步骤二对异种钢A和B进行实验，确定A和B在不同焊接参数下的裂纹情况；
S1.4：实验完成后，使用建模软件对试样在不同焊接参数下进行模拟。
3.根据权利要求1所述的一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，其特征在于：所述正交实验的具体操作如下：
S2.1：所述功率P取值为：1.5KW-2.5KW中的三个值；所述焊速v取值为：4mm/s-6mm/s中的三个值；所述频率f取值：13HZ-17HZ中的三个值；所述离焦量h取值为：-2mm-2mm中的三个值；
S2.2：采用正交实验表来对各个数据进行排列，依次焊接异种钢材，通过线切割方法截取焊缝截面，并观察焊缝熔深d和熔宽w。
4.根据权利要求2所述的一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，其特征在于：在步骤S1.4完成后，采取柱状热源模型，计录不同焊接参数下缺口焊缝处在脆性温度区间内的最大应变值εu，u＝1-9，将应变按同一试样的多次实验次数用曲线表示，找出一个临界值ki，i＝1或2，高于ki，出现裂纹；低于ki，无裂纹，也即确定了k1和k2值；通过有限元建模结合实验来确定异种钢A和B的k1和k2值，通过使用建模软件，确定不同焊接参数，其中功率为P、焊速为v、频率为f和离焦量为h下的焊缝在脆性温度区间内最大应变值，再结合焊接试验裂纹情况NG或OK来确定k1和k2值。
5.根据权利要求4所述的一种异种钢激光穿透焊接参数确定方法，其特征在于：CA和CB满足：CA<k1和CB<k2。
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