CN112496614B - 一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法 - Google Patents

一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，用于获得高熔深锁工艺焊接样本的焊缝所对应的热源模型；其包括以下步骤：(S1)获取焊缝截面的图像；焊缝截面包括非钝化区域以及钝化区域；(S2)获取所述非钝化区域以及所述钝化区域的尺寸参数；(S3)对所述非钝化区域的侧边曲线进行拟合；(S4)根据步骤(S2)和(S3)的结果，确定热源有效作用半径的表达式，并建立旋转体热源模型。本方法采用旋转体热源对深熔焊的热源进行建模，更加贴近深熔焊的实际情况。本发明的热源模型是单一函数热源模型，不存在多个模型的匹配的问题，只需要输入焊缝相关的几何尺寸数据，就可实现热源模型的定义。相对组合热源而言，其优势不言而喻。

Description

一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法。
背景技术
高熔深锁焊接工艺，是一种由Tig焊接工艺发展而来的一种高效率、高质量和大熔深的焊接工艺方法，其采用的电流远大于一般的Tig焊接工艺。其单道熔深能力远胜于传统的Mig焊、Tig焊接工艺。因此，其可以在不开坡口的基础上，实现金属材料的焊接。
由于其工艺特性，其焊接热源性能不同于传统的焊接热源。在有限元仿真中，传统的Mig焊接、Tig焊接采用的是椭球、高斯、双椭球等热源模型。但是这些模型主要针对传统电弧焊这种熔深不高的工艺。对于高熔深焊工艺，其热源模型与传统电弧工艺完全不同。上述的一些热源模型也无法适用高熔深锁焊的工艺仿真。
高熔深锁焊接工艺的焊缝横截面为“倒喇叭”形状，目前针对这种类似的焊接工艺，其仿真时所采用的热源模型基本上都是组合热源，其组合方式主要有：双椭球体热源+圆柱体热源、双椭球热源+锥体热源等。组合方向为：上半部分为双椭球体热源，当深度高于设定值时，热源则变为圆柱体热源或者椎体热源。组合热源对相关参数选择非常重要(主要包括能量分配系数、热源高度等)。参数选择不合适，就会造成热源模型和实际的焊缝形貌不匹配。
发明内容
本发明的目的是提供一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，该方采用旋转体热源对深熔焊的热源进行建模，解决了现有技术中双椭球、高斯等热源模型存在的问题。
本发明的技术方案是，一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，用于获得高熔深锁工艺焊接样本的焊缝所对应的热源模型；其包括以下步骤：
(S1)从高熔深锁工艺焊接样本中获取焊缝截面的图像；焊缝截面包括自样本上表面至下表面的非钝化区域以及位于非钝化区域底面且从所述样本下表面向下凸起的钝化区域；
(S2)获取所述非钝化区域以及所述钝化区域的尺寸参数，包括非钝化区域厚度H、钝化区域厚度g、所述钝化区域与所述非钝化区域的交界宽度n；
(S3)以所述非钝化区域的顶面中心为原点、以所述非钝化区域的竖向轴线为纵轴，对所述非钝化区域的侧边曲线进行拟合，得到的表达式为：
Figure BDA0002840958290000021
其中：R为所述侧边曲线上任意一的点到纵轴的距离，z为该点与非钝化区域的顶面的距离；a、b、c为侧边曲线的拟合系数；
(S4)建立旋转体热源模型，其热流密度分布函数为：
Figure BDA0002840958290000022
其中：r表示热源中任意一点到热源中线的距离，z表示该点到热源原点的竖向距离，r0表示该点的热源有效作用半径，qm表示热源原点处的热流密度，有效作用半径r0的表达式为：
Figure BDA0002840958290000023
其中，s为热源下端钝化系数，其表达式为：
Figure BDA0002840958290000024
本发明的进一步改进在于，所述高熔深锁工艺焊接样本由两个厚度相等的工件在不开坡口的情况下采用高熔深锁工艺焊接制得。
本发明的进一步改进在于，焊缝截面的图像为金相图。
本发明的进一步改进在于，对所述非钝化区域的侧边曲线进行拟合的过程中，在所述侧边曲线上选取至少三个采样点，并测量每个采样点到纵轴的距离R以及与非钝化区域的顶面的距离z。
本发明的进一步改进在于，所述采样点的数目为三，分别位于所述非钝化区域的顶面、所述非钝化区域的底面以及所述非钝化区域厚度二分之一的位置。
本发明的有益效果为：本方法采用旋转体热源对深熔焊的热源进行建模，解决了现有技术中双椭球、高斯等热源模型存在的问题，更加贴近深熔焊的实际情况。本发明的热源模型是单一函数热源模型，不存在多个模型的匹配的问题，只需要输入焊缝相关的几何尺寸数据，就可实现热源模型的定义。相对组合热源而言，其优势不言而喻。
附图说明
图1是高熔深锁工艺焊接样本的焊缝金相图；
图2是旋转体热源模型的示意图；
图3是旋转体热源模型的截面示意图；
图4是一个具体实施例中的焊缝金相图；
图5是上述具体实施例中热源模型与焊缝金相图的对比；
图6是上述具体实施例中获得的热源模型的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的实施例提供一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，用于获得高熔深锁工艺焊接样本的焊缝所对应的热源模型；其特征在于包括以下步骤：
(S1)从高熔深锁工艺焊接样本中获取焊缝截面的图像；焊缝截面包括自样本上表面至下表面的非钝化区域10以及位于非钝化区域10的底面且从样本下表面向下凸起的钝化区域20。
具体的，如图1所示，高熔深锁工艺焊接样本由两个厚度相等的工件在不开坡口的情况下采用高熔深锁工艺焊接制得。焊缝截面的图像为金相图。图1所示的焊缝横截面的几何形貌明显不能简单用双椭球、高斯等热源模型来描述。本实施例针对图1中所示的高熔深锁焊工艺提出了一种有限元仿真热源模型，该热源模型属于旋转体热源模型，其体热源大致的几何模型和横截面剖面如图2、3所示。图3中展示了对上述高熔深锁焊接工艺横截面的几何划分。该焊缝横截面图像类似于“倒喇叭”形状。本实施例将截面划分成两块，上部分为非钝化区域20，下部分为钝化区域20。
(S2)截面图像获取完成后，从图像中获取非钝化区域10以及钝化区域20的尺寸参数，包括非钝化区域厚度H、钝化区域厚度g、钝化区域与非钝化区域10的交界宽度n。上述尺寸参数可从图像中测量获得。
(S3)以非钝化区域10的顶面中心为原点、以非钝化区域10的竖向轴线为纵轴，对非钝化区域10的侧边曲线进行拟合，得到的表达式为：
Figure BDA0002840958290000041
其中：R为侧边曲线上任意一的点到纵轴的距离，z为该点与非钝化区域10的顶面的距离；a、b、c为侧边曲线的拟合系数。对非钝化区域10的侧边曲线进行拟合的过程中，在侧边曲线上选取至少三个采样点，并测量每个采样点到纵轴的距离R以及与非钝化区域10的顶面的距离z。
如图3所示，在一个具体实施例中，采样点的数目为三，分别位于非钝化区域10的顶面、非钝化区域10的底面以及非钝化区域厚度二分之一位置的点A、点C以及点B。A坐标点为(0,w/2),B的坐标点为(H/2,m/2),C的坐标点为(H,n/2)。(注：也可以取取对应的A′,B′,C′这三个点进行拟合，由于为旋转体热源，取A,B,C三点还是A′,B′,C′三点进行拟合，并不影响最后的热流密度分布函数)。
(S4)建立旋转体热源模型，其热流密度分布函数为：
Figure BDA0002840958290000042
其中：r表示热源中任意一点到热源中线的距离，可采用公式
Figure BDA0002840958290000043
进行计算，z表示该点到热源原点的竖向距离，r0表示该点的热源有效作用半径，qm表示热源原点处的热流密度，有效作用半径r0的表达式为：
Figure BDA0002840958290000044
其中，s为热源下端钝化系数，其表达式为：
Figure BDA0002840958290000045
在使用该模型时，将需要任意一点坐标(r,z)带入公式(2)即可得到该点的热流密度。
对于公式4，从图1和图3可见，焊缝区域最下端基本上为圆弧状。该特征可以视为对上部分轮廓曲线的一个“钝化”，由原本“尖锐端”钝化成“圆弧端”。设定钝化参数s，其钝化宽度为n，其解析式如式1所示。式中的参数，根据实际的焊缝横截面轮廓(具体尺寸示意图参考图3)，来确定式4的解析式。
通过上述操作，就可以确定式3和式4的解析式，再选用合适的原点处的热流密度，就可以得到式2的解析式。完成上述步骤后，就可以得到该焊接热源的有限元仿真热源模型，即可代入有限元仿真模型中进行计算。在拟合式1时，不一定完全按上述等高度选点。可根据实际情况在曲线上选点，再进行拟合。
通过以上过程可以获得单个样本的热源模型。该模型可直接用于有限元仿真，也可制备大量不同参数的样本，获得不同样本的热源模型，并将大量的样本输入至机器学习模型中，从而获得更具泛用性的模型。
下面结合附图，对一个具体实施例进行介绍。该实施例的焊缝金相图如图4所示，经过测量，图4中相应的几何尺寸信息如下表所示(单位：mm)
H w m n g
9.05 18.06 7.75 2.71 0.7
则点A,B,C的坐标为：
A(z,R) B(z,R) C(z,R)
(0，9.03) (4.525,3.875) (9.05，1.355)
将上述数值代入公式
Figure BDA0002840958290000051
经过拟合，式2中的a，b，c值为：
a b c
143.6 9.564 -5.985
所以将上表中的数值，并选定合适的qm值，通过Fortran语言，编辑成热源子程序，导入有限元仿真软件中，得到的热源模型如图6所示，该热源模型和实际的焊缝对比图5所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，用于获得高熔深锁工艺焊接样本的焊缝所对应的热源模型；其特征在于包括以下步骤：
(S1)从高熔深锁工艺焊接样本中获取焊缝截面的图像；焊缝截面包括自样本上表面至下表面的非钝化区域以及位于非钝化区域底面且从所述样本下表面向下凸起的钝化区域；
(S2)获取所述非钝化区域以及所述钝化区域的尺寸参数，包括非钝化区域厚度H、钝化区域厚度g、所述钝化区域与所述非钝化区域的交界宽度n；
(S3)以所述非钝化区域的顶面中心为原点、以所述非钝化区域的竖向轴线为纵轴，对所述非钝化区域的侧边曲线进行拟合，得到的表达式为：
Figure FDA0002840958280000011
其中：R为所述侧边曲线上任意一的点到纵轴的距离，z为该点与非钝化区域的顶面的距离；a、b、c为侧边曲线的拟合系数；
(S4)建立旋转体热源模型，其热流密度分布函数为：
Figure FDA0002840958280000012
其中：r表示热源中任意一点到热源中线的距离，z表示该点到热源原点的竖向距离，r0表示该点的热源有效作用半径，qm表示热源原点处的热流密度，有效作用半径r0的表达式为：
Figure FDA0002840958280000013
其中，s为热源下端钝化系数，其表达式为：
Figure FDA0002840958280000014
2.根据权利要求1所述的一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，其特征在于，所述高熔深锁工艺焊接样本由两个厚度相等的工件在不开坡口的情况下采用高熔深锁工艺焊接制得。
3.根据权利要求1所述的一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，其特征在于，焊缝截面的图像为金相图。
4.根据权利要求1所述的一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，其特征在于，对所述非钝化区域的侧边曲线进行拟合的过程中，在所述侧边曲线上选取至少三个采样点，并测量每个采样点到纵轴的距离R以及与非钝化区域的顶面的距离z。
5.根据权利要求4所述的一种深熔焊的有限元仿真热源模型获取方法，其特征在于，所述采样点的数目为三，分别位于所述非钝化区域的顶面、所述非钝化区域的底面以及所述非钝化区域厚度二分之一的位置。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103761374A (zh) * 2014-01-10 2014-04-30 上海工程技术大学 一种激光深熔焊热源模型的建模方法
CN104298817A (zh) * 2014-09-26 2015-01-21 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 一种用于模拟高能束焊接的双椭圆指数衰减体热源模型
CN104364044A (zh) * 2012-06-12 2015-02-18 丰田自动车株式会社 焊接装置、焊接方法、以及电池的制造方法
CN106670666A (zh) * 2016-12-14 2017-05-17 南京航空航天大学 基于精准能量分配的激光‑电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法
CN109829200A (zh) * 2018-12-29 2019-05-31 上海市特种设备监督检验技术研究院 一种激光焊接温度场热源模型
CN111950207A (zh) * 2020-07-24 2020-11-17 常熟理工学院 基于快速傅里叶变换的高效焊缝形貌数值模拟预测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104364044A (zh) * 2012-06-12 2015-02-18 丰田自动车株式会社 焊接装置、焊接方法、以及电池的制造方法
CN103761374A (zh) * 2014-01-10 2014-04-30 上海工程技术大学 一种激光深熔焊热源模型的建模方法
CN104298817A (zh) * 2014-09-26 2015-01-21 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 一种用于模拟高能束焊接的双椭圆指数衰减体热源模型
CN106670666A (zh) * 2016-12-14 2017-05-17 南京航空航天大学 基于精准能量分配的激光‑电弧复合加工的能量分配系数模型的构建方法
CN109829200A (zh) * 2018-12-29 2019-05-31 上海市特种设备监督检验技术研究院 一种激光焊接温度场热源模型
CN111950207A (zh) * 2020-07-24 2020-11-17 常熟理工学院 基于快速傅里叶变换的高效焊缝形貌数值模拟预测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
激光深熔焊接热过程数值模拟的研究进展;冯燕柱等;《制造技术与机床》;20190902;全文 *
激光深熔焊热源模型的研究现状;倪梁华等;《科技信息》;20120105;全文 *

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