CN116756870A - 基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于数值模拟仿真电弧堆焊工艺参数优化方法，首先基于现有堆焊生产工艺参数，获取堆焊数据；然后以实测数据为依据建立堆焊过程热力耦合有限元模型，设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件与边界条件；接着建立堆焊热源方程，开展热源模型校核；进而基于工艺参数设计调整模型和热源参数，展开模拟计算；最后通过对比分析工艺参数调整前后的温度场、残余应力及塑性变形分布，评估工艺参数调整的可行性。本发明通过对电弧堆焊过程中的温度场、残余应力以及塑性变形分布进行分析，为实际生产过程中堆焊工艺参数的优化提供技术基础，以实现在保证堆焊质量的前提条件下，提高堆焊生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及焊接数值模拟技术，具体涉及一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法。
背景技术
电弧堆焊是利用焊接方法，将金属材料熔覆在工件表面，以实现工件表面某种性能提升的一种表面改性方法。该方法兼具设备及工艺简单、经济性好、效率高、使用灵活等特点，被广泛应用于各领域工业部门零件的表面防护、制造及修复。在电弧堆焊生产过程中，通过调整堆焊工艺参数，降低堆焊层中母材的稀释率，同时在相对较快的堆焊速度条件下获得可观的堆焊层宽度及厚度，是有效发挥堆焊工艺方法的主要手段。其中，母材的稀释率决定堆焊层质量，与熔深联系紧密。单位时间获得的堆焊层宽度及厚度与堆焊效率息息相关。
然而，通过工艺试验优化堆焊工艺参数是一种繁琐的工作，同时需要耗费大量时间及人力物力试验成本。若能根据已有堆焊工艺参数，借助计算机数值模拟技术，通过对堆焊过程建立物理模型，并进行数值模拟计算，通过对比分析工艺参数调整前后的熔深、堆焊层的宽度、高度、残余应力及变形等，进而评价工艺参数调整的可行性，即是否可在保证焊缝质量的同时提高堆焊生产效率，相关方法不仅省时省力，也能大幅降低工艺优化的成本，缩短工艺开发时间，具有重要意义。
海洋油气钻采管道及阀门等零部件多选用AISI 4130合金钢材料，并采用热丝TIG堆焊Inconel 625镍基合金层作为内衬以满足其防腐耐蚀的使用要求。郭龙龙等在《脉冲TIG堆焊Inconel 625工艺及堆焊层组织性能研究》中采用计算机模拟和工艺试验相结合的方法对Inconel 625合金的TIG堆焊工艺参数优化进行了研究。结果表明，当送丝速度恒定时，降低堆焊速度，能有效提高单道堆焊层厚度，从而提高堆焊效率。同时，堆焊速度对稀释率的影响相对电流的影响更小，更容易实现调控。然而，若单纯降低焊接速度，会导致热输入增加，母材稀释率提高，从而影响产品质量。
因此，需要协同调整其它工艺参数，但是相关方法和研究主要集中于堆焊工艺试验，工作量大，效率低，对于简化工艺优化的方案鲜有涉及。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，利用计算机对电弧堆焊过程进行模拟计算、预测和评估，获取关键指标参数(熔深、堆焊层的宽度、高度、残余应力及变形等)，评价工艺参数改进的可行性。
技术方案：本发明的一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，利用计算机仿真模拟来获取熔池参数(例如熔宽和熔深等)，基于熔池参数估测稀释率，进而评价工艺参数，具体包括以下步骤：
步骤一、基于现有堆焊生产工艺参数，获取用于模型建立及热源校核的堆焊数据，包括堆焊层宽度W0、熔覆层高度H0、熔深h0以及峰值温度T0；例如通过热电偶测量母材表面离焊趾1mm处的峰值温度T0，通过金相法获取熔池形貌及参数(堆焊层高度H0、宽度W0、熔深h0)；
步骤二、建立堆焊过程热力耦合有限元模型
先应用有限元软件建立堆焊模型，采用温度-位移耦合六面体单元(C3D8T)对堆焊模型进行网格划分，在焊缝附近细分网格；然后设置金属材料随温度变化的物理性能参数，包括金属在不同温度下的密度、弹性模量、屈服强度、泊松比、热传导率、热膨胀系数、比热容等；
步骤三、设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件、温度边界条件和结构边界条件；设置温度边界条件包括设置焊接环境温度为室温，设置边界换热条件参数，即对流散热及辐射散热系数；设堆焊模型的所有外壁面均为热交换面；结构边界条件是指根据实际生产装夹情况对焊件进行装夹约束，若是平板堆焊可对8个顶点分别约束X、Y、Z方向平动自由度，令金属板模型可自由变形而不发生刚体移动；
步骤四、建立堆焊热源方程
建立双椭球型的热源模型，该热源模型的前半部分、后半部分均是是1/2的椭球，前半部分椭球体热源、后半部分椭球体热源分布分别为：
其中，Q为堆焊过程的线能量密度，表达式为Q＝UI/v，U为堆焊电压，I为堆焊电流，v为堆焊速度，η为焊接热效率；ff及fb分别为双椭球前半球及后半球的能量分布系数，ff+fb＝2；a，b，cf及cb为热源形状参数，其中a是热源的半宽，b为热源半高，cf和cb分别是热源前、后半球的长度；
步骤五、热源模型校核
首先，初选热源形状参数来调用堆焊热源方程，用于堆焊热力耦合有限元分析模型对焊接过程进行数值模拟；然后基于调取的计算结果来获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图，最终获得热源参数与堆焊层尺寸比例关系：
an＝kaW0/2,bn＝kbH0,η＝ηn；
其中n表示第n次校核，ka和kb分别为第n次校核所用热源模型参数an及bn与堆焊层半宽W0/2及堆焊层高度H0的比例关系；
步骤六、工艺参数设计及模型参数调整
基于实际生产所用工艺参数设计优化的堆焊工艺参数(送丝速度不变，线能量密度范围控制在±20％)，并根据优化的工艺参数调整堆焊有限元模型及热源模型；
有限元模型中堆焊层宽度W及高度H依据如下堆焊层尺寸经验公式调整：
W0、H0、v0、P0分别为工艺参数优化前堆焊层宽度、高度、焊接速度及功率，P0＝U0I0，Δv为速度变化(含符号)，ΔP为功率变化(含符号)；
上述热源模型参数则根据步骤五校核所得热源参数与堆焊层尺寸比例关系套用于新模型(即a＝kaW/2，b＝kbH，η＝ηn，n表示第n次校核结果)；
步骤七、堆焊温度场及应力场计算，即采用调整好的堆焊有限元模型及热源模型，在优化的堆焊工艺参数条件下进行数值模拟计算；
步骤八、结果分析及参数评价
调取计算结果，获取堆焊层截面温度场分布图，设置熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽、熔深，结合堆焊层高度，对堆焊效率及稀释率进行评价；接着获取堆焊层整体残余应力分布及中心截面的残余应力分布及塑性变形分布，对比工艺参数调整前后的上述参数，对工艺参数调整的可行性进行评价。
进一步地，所述步骤五热源模型校核的详细内容为：
首先，基于步骤一所得工艺参数条件下堆焊参数来初选热源参数；热源参数包括a0、b0、cf0、cb0、ff、fb和堆焊热效率η0；上述初始热源参数计算公式如下：
然后，输入热源参数，在模拟软件中对建好的模型网格加载双椭球热源方程，使热源随时间变化作用于堆焊层，对堆焊过程进行数值模拟计算；
接着，调取模拟计算结果获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图的具体方法为；
通过表面温度场分布获得距焊趾1mm处的峰值温度Tn；分别设置母材及堆焊层熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽Wn、熔深hn；；如果数据匹配，即|Tn-T0|＜＜5％T0且|hn-h0|＜＜5％(Hn+h0)，则建立热源参数与堆焊层尺寸关系，如果数据不匹配，则更新调整热源参数；
其中，第n次热源调整数据匹配后，热源参数与堆焊层尺寸关系为：
其中，第n次热源参数调整的公式为：
也就是将所测熔宽、熔深与实际堆焊截面参数(熔宽W0、熔深h0)对比，若计算所获峰值温度、熔深及堆焊层高度的总和均与实测匹配(差异均小于5％)，则认为该热源模型有效，可使用该模型及参数继续计算，否则，需要调整相关热源参数，进而得到热源参数与堆焊层尺寸关系。
有益效果：本发明利用计算机数值模拟对堆焊工艺优化方案可行性进行评估，避免了堆焊工艺试验所需的大量人力物力成本。与现有方法相比，本发明基于大量数值模拟及工艺试验提出了更为高效的热源校核方法。此外，本发明提出的堆焊层尺寸经验公式能有效预测一定线能量密度范围内的堆焊层尺寸，避免了工艺参数变化引起堆焊层尺寸变化，导致计算准确度降低，以及实测堆焊层尺寸数据困难，工艺繁杂等问题；可大幅降低工艺优化的成本，缩短工艺开发时间。
附图说明
图1为实施例整体流程图。
图2为实施例中热源模型校核的示意图。
图3为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层的单道焊截面金相组织图。
图4为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层的模型及网格划分图。
图5为实施例所采用的双椭球热源模型及参数图。
图6为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层在采用初始热源参数计算后堆焊8s时的温度分布及对应标记位置的热循环曲线图。
图7为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层在采用初始热源参数计算后中心截面最大熔深及熔宽时的温度分布图。
图8为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层在采用调整热源参数计算后堆焊8s时的温度分布及对应标记位置的热循环曲线图。
图9为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层在采用调整热源参数计算后中心截面最大熔深时的温度分布与实际截面形貌对比图。
图10为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层工艺参数调整前后中心截面最大熔深时的温度分布对比图。
图11为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层工艺参数调整前后整体及中心截面经500s冷却后应力分布对比图。
图12为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层工艺参数调整前后整体及中心截面经500s冷却后塑性变形程度分布对比图。
图13为实施例AISI 4130钢表面堆焊Inconel 625层在工艺参数调整后中心截面最大熔深时的温度分布与实际截面形貌对比图。
其中，图4(a)为堆焊三维几何模型的网格划分示意图；图4(b)为图4(a)的剖视图；图6(a)为堆焊8s时的温度分布示意图；图6(b)为三处位置的热循环曲线；图7(a)为计算中心截面最大熔深时的温度分布图；图7(b)为计算后中心截面熔宽时的温度分布图；图8(a)为调整热源参数计算后堆焊8s时的温度分布图；图8(b)为对应标记位置的热循环曲线图；图10(a)为调整前中心截面最大熔深时的温度分布图；图10(b)为调整后中心截面最大熔深时的温度分布图；图11(a)为工艺参数调整前(工艺1)整体残余应力分布图；图11(b)为工艺参数调整后(工艺2)整体残余应力分布图；图11(c)为工艺参数调整前(工艺1)中心截面残余应力分布图；图11(d)为工艺参数调整后(工艺2)中心截面残余应力分布图；图12(a)为工艺参数调整前(工艺1)整体塑性变形分布图；图12(b)为工艺参数调整后(工艺2)整体塑性变形分布图；图12(c)为工艺参数调整前(工艺1)中心截面塑性变形分布图；图12(d)为工艺参数调整后(工艺2)中心截面塑性变形分布图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，利用计算机仿真模拟来获取熔池参数(例如熔宽和熔深等)，基于熔池参数计算稀释率，进而评价工艺参数，具体包括以下步骤：
步骤一、基于现有堆焊生产工艺参数，获取用于模型建立及热源校核的堆焊数据，包括堆焊层宽度W0、熔覆层高度H0、熔深h0以及峰值温度T0；例如通过热电偶测量母材表面离焊趾1mm处的峰值温度T0，通过金相法获取熔池形貌及参数(堆焊层高度H0、宽度W0、熔深h0)；
步骤二、建立堆焊过程热力耦合有限元模型
先应用有限元软件建立堆焊模型，采用温度-位移耦合六面体单元(C3D8T)对堆焊模型进行网格划分，在焊缝附近细分网格；然后设置金属材料随温度变化的物理性能参数，包括金属在不同温度下的密度、弹性模量、屈服强度、泊松比、热传导率、热膨胀系数、比热容等；
步骤三、设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件、温度边界条件和结构边界条件；设置温度边界条件包括设置焊接环境温度为室温，设置边界换热条件参数，即对流散热及辐射散热系数；设堆焊模型的所有外壁面均为热交换面；结构边界条件是指根据实际生产装夹情况对焊件进行装夹约束，若是平板堆焊可对8个顶点分别约束X、Y、Z方向平动自由度，令金属板模型可自由变形而不发生刚体移动；
步骤四、建立堆焊热源方程
建立双椭球型的热源模型，该热源模型的前半部分、后半部分均是是1/2的椭球，前半部分椭球体热源、后半部分椭球体热源分布分别为：
其中，Q为堆焊过程的线能量密度，表达式为Q＝UI/v，U为堆焊电压，I为堆焊电流，v为堆焊速度，η为焊接热效率；ff及fb分别为双椭球前半球及后半球的能量分布系数，ff+fb＝2；a，b，cf及cb为热源形状参数，其中a是热源的半宽，b为热源半高，cf和cb分别是热源前、后半球的长度；
步骤五、热源模型校核
首先，初选热源形状参数来调用堆焊热源方程，作用于堆焊热力耦合有限元分析模型对焊接过程进行数值模拟；然后基于调取的计算结果来获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图，最终获得热源参数与堆焊层尺寸比例关系：
an＝kaW0/2,bn＝kbH0,η＝ηn；
步骤六、工艺参数设计及模型参数调整
基于实际生产所用工艺参数设计优化的堆焊工艺参数(送丝速度不变，线能量密度范围控制在±20％)，并根据优化的工艺参数调整堆焊有限元模型及热源模型；
有限元模型中堆焊层宽度W及高度H依据如下堆焊层尺寸经验公式调整：
W0、H0、ν0、P0分别为工艺参数优化前堆焊层宽度、高度、焊接速度及功率，P0＝U0I0，Δv为速度变化(含符号)，ΔP为功率变化(含符号)；
上述热源模型参数则根据步骤五校核所得热源参数与堆焊层尺寸比例关系套用在新模型上；
步骤七、堆焊温度场及应力场计算，即采用调整好的堆焊有限元模型及热源模型，在优化的堆焊工艺参数条件下进行数值模拟计算；
步骤八、结果分析及参数评价
调取计算结果，获取堆焊层截面温度场分布图，设置熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽、熔深，结合堆焊层高度，对堆焊效率及稀释率进行评价；接着获取堆焊层整体残余应力分布及中心截面的残余应力分布及塑性变形分布，对比工艺参数调整前后的上述参数，对工艺参数调整的可行性进行评价。
本实施例中，步骤五热源模型校核的详细内容为：
首先，基于步骤一所得工艺参数条件下堆焊参数来初选热源参数；热源参数包括a0、b0、cf0、cb0、ff、fb和堆焊热效率η0；上述初始热源参数计算公式如下：
然后，输入热源参数，在模拟软件中对建好的模型网格加载双椭球热源方程，使热源随时间变化作用于堆焊层，对堆焊过程进行数值模拟计算；
接着，调取模拟计算结果获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图的具体方法为；
通过表面温度场分布获得距焊趾1mm处的峰值温度Tn；分别设置母材及堆焊层熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽Wn、熔深hn；其中n表示第n次校核；如果数据匹配，即|Tn-T0|＜＜5％T0且|hn-h0|＜＜5％(Hn+h0)，则建立热源参数与堆焊层尺寸关系，如果数据不匹配，则更新调整热源参数；
其中，第n次热源调整数据匹配后，热源参数与堆焊层尺寸关系为：
其中，第n次热源参数调整的公式为：
将所测熔宽、熔深与实际堆焊截面参数(熔宽W0、熔深h0)对比，若计算所获峰值温度、熔深及堆焊层高度的总和均与实测匹配(差异均小于5％)，则认为该热源模型有效，可使用该模型及参数继续计算，否则，需要调整相关热源参数，最终获得热源参数与堆焊层尺寸关系。
本实施例步骤五中热源参数调整方法如表1所示。
表1初选热源参数以及热源参数调整
如图2所示，本实施例中步骤六工艺参数设计及模型参数调整的详细过程为：
基于实际生产所用工艺参数设计优化的堆焊工艺参数(送丝速度不变，线能量密度范围控制在±20％)，并根据优化的工艺参数调整堆焊有限元模型及热源模型，其中有限元模型中堆焊层宽度(W)及高度(H)可依据如下堆焊层尺寸经验公式调整：
其中，W0、H0、ν0、P0分别为工艺参数优化前堆焊层宽度、高度、焊接速度及功率，P0＝U0I0，Δv为速度变化(含符号)，ΔP为功率变化(含符号)；
上述热源模型参数则根据步骤五校核所得热源参数与堆焊层尺寸关系套用在新模型上(a＝kaW/2，b＝kbH，η＝ηn，n表示第n次校核结果)。
实施例1
下面以厚度为10mm的AISI 4130钢板平板堆焊Inconel 625单道合金层为例进行分析，其中AISI 4130钢板及Inconel 625焊丝(ERNiCrMo-3)的化学成分(wt.％)如表2及表3所示。
表2 AISI 4130钢的化学成分
表3 ERNiCrMo-3焊丝的化学成分
步骤一：根据实际生产工艺，如表4的工艺1所示，获取堆焊层金相组织，如图3所示，并对堆焊层尺寸进行测量，测得堆焊层宽度W0约5.4mm，高度H0约1.5mm，熔深h0约0.33mm，母材表面离焊趾1mm处的峰值温度T0约504℃。
表4实际生产堆焊工艺参数
步骤二：以所测堆焊数据为依据采用ABAQUS有限元软件建立堆焊三维几何模型，如图4所示，AISI 4130钢板尺寸为80mm×40mm×10mm，Inconel 625合金堆焊层为宽5.4mm，高1.5mm的弓形，其中图4(a)为堆焊三维几何模型的网格划分示意图；图4(b)为图4(a)的剖视图。采用温度-位移耦合六面体单元(C3D8T)对模型进行网格划分，沿焊缝中心往两端网格由密渐疏，网格数量为46480。设置两种金属材料的热物理性能参数，包括密度、弹性模量、屈服强度、泊松比、热传导率、热膨胀系数、比热容等，如表5、6所示。
表5AISI 4130钢的热物理性能
表6Inconel 625合金的热物理性能
步骤三：设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件与边界条件
建立两个热力耦合分析步，第一个为堆焊分析步STEP-1，第二个分析步为冷却分析步STEP-2。
温度边界条件：设置环境温度为20℃，设置对流散热系数为0.02mW/(mm2·℃)，辐射散热系数为0.85，设置堆焊模型的所有外壁面均为热交换面；设置模型初始温度为200℃(预热)。
结构边界条件：对8个顶点分别约束X、Y、Z方向平动自由度，令金属板模型可自由变形而不发生刚体移动。
在加载栏设置STEP-1选择通过用户自定义子程序在构件整体上施加随时间变化的体热流。在STEP-2取消激活热源加载。
步骤四：建立堆焊热源方程
利用Fortran语言编辑DFLUX子程序，建立双椭球型热源模型，其热源模型分为下面两部分，如图5所示：
其中Q为堆焊过程的线能量密度，表达式为Q＝UI/v(U为堆焊电压，I为堆焊电流，v为堆焊速度)，η为焊接热效率；ff及fb分别为双椭球前半球及后半球的能量分布系数，ff+fb＝2；a，b，cf及cb为热源形状参数，其中a是热源的半宽，b为热源半高，cf和cb分别是热源前、后半球的长度。
步骤五：热源模型校核
初选热源参数，如表7所示，调用堆焊热源方程，作用于堆焊热力耦合有限元分析模型对焊接过程进行数值模拟。
表7热源参数初值赋值情况
| 热源参数 | 取值依据 | 初值 |
| a0 | a0＝0.9W0/2 | 2.43 |
| b0 | b0＝H0 | 1.5 |
| cf0 | cf0＝a0 | 2.43 |
| cb0 | cb0＝2cf0 | 4.86 |
| ff | ff+fb＝2，fb＝2ff | 0.67 |
| η0 | TIG焊接热效率60％～70％ | 70％ |
计算后调取计算结果，获取焊接时间为某一时刻的温度分布，如图6所示，获取计算所得母材表面离焊趾1mm处的峰值温度为620℃(选三处位置取最大值)，其中图6(a)为堆焊8s时的温度分布示意图；图6(b)为三处位置的热循环曲线；获取堆焊截面温度场分布如图7所示，分别设置温度上限1432℃(AISI 4130钢熔点)及1290℃(Inconel 625合金熔点)，图7(a)为计算中心截面最大熔深时的温度分布示意图，图7(b)为计算后中心截面熔宽时的温度分布图，测得熔宽为5.1mm，熔深及堆焊层高度总和为2.32mm。
与实际堆焊截面对比发现，通过本发明方法计算所获峰值温度偏高，熔宽偏小(5.1mm<5.4mm)、熔深及堆焊层高度总和偏大(2.32mm>1.83mm)，因此需要调整热源参数重新计算，调整方法如表8所示，其中图8(a)为调整热源参数计算后堆焊8s时的温度分布图；图8(b)为对应标记位置的热循环曲线图。修正参数后获得结果如图9所示，测得峰值温度为526℃，熔深及堆焊层高度总和约1.87mm，两者与实际相比差异均小于5％，认为此热源符合计算要求。
表8热源参数调整情况
步骤六：工艺参数设计及模型参数调整
将工艺参数设计为表3工艺2后，根据堆焊层尺寸经验公式计算如下：
基于步骤五校核所得结果，对热源参数进行取值如表9所示。
表9热源参数调整情况
| 热源参数 | 取值依据 | 调整值 |
| a | a＝0.85W/2 | 2.3715 |
| b | b＝1.27H | 2.1209 |
| cf | cf＝a | 2.3715 |
| cb | cb＝2cf | 4.743 |
| ff | ff+fb＝2，fb＝2ff | 0.67 |
| η | η＝η1 | 0.64 |
步骤七：堆焊温度场及应力场计算
采用步骤五所获得的的堆焊层尺寸参数及热源参数，调整堆焊有限元模型及热源模型，在优化的堆焊工艺参数条件下进行数值模拟计算。
步骤八：结果分析及参数评价
调取工艺参数调整前后的截面温度场分布，如图10所示，工艺参数调整后，熔深从0.37mm降低至0.29mm，堆焊层高度和宽度均增加，堆焊效率提高，稀释率降低，其中，图10(a)为调整前中心截面最大熔深时的温度分布对比图；图10(b)为调整后中心截面最大熔深时的温度分布对比图。图11和图12分别为工艺参数调整前后的残余应力及塑性变形分布图；图11(a)、图11(b)、图11(c)、图11(d)分别是调整参数前工艺1至工艺4的残余应力及塑性变形分布图；图12(a)、图12(b)、图12(c)和图12(d)分别是调整参数后工艺1至工艺4的残余应力及塑性变形分布。从图中可知，工艺调整后，残余应力及塑性变形均有降低趋势。因此认为该工艺参数的调整是可行的，可在保证堆焊效率的前提条件下提高堆焊生产效率。此外，为了验证方法的可行性，通过实验获取工艺参数调整后(工艺2)截面形貌，如图13所示，熔池尺寸均与计算所得结果匹配(整体误差小于5％)，如表10所示。
表10工艺参数调整后模拟及实测熔池尺寸对比
| 熔池尺寸 | 模拟 | 实测 |
| 堆焊层高度 | 1.67mm | 1.65mm |
| 熔宽 | 5.58mm | 5.76mm |
| 熔深 | 0.29mm | 0.24mm |
通过上述实施例，本发明提出利用堆焊过程的数值模拟仿真，获取关键指标，进而指导实际堆焊生产过程中的工艺参数优化。
Claims (2)
1.一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，其特征在于，先利用计算机仿真模拟来获取熔池参数，然后基于熔池参数计算稀释率，进而评价工艺参数，具体包括以下步骤：
步骤一、基于现有堆焊生产工艺参数，获取用于模型建立及热源校核的堆焊数据，包括堆焊层宽度W0、熔覆层高度H0、熔深h0以及峰值温度T0；
步骤二、建立堆焊过程热力耦合有限元模型
先应用有限元软件建立堆焊模型，采用温度-位移耦合六面体单元C3D8T对堆焊模型，进行网格划分，在焊缝附近细分网格；然后设置金属材料随温度变化的物理性能参数，包括金属在不同温度下的密度、弹性模量、屈服强度、泊松比、热传导率、热膨胀系数和比热容；
步骤三、设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件、温度边界条件和结构边界条件；设置温度边界条件包括设置焊接环境温度为室温，设置边界换热条件参数，即对流散热及辐射散热系数；设堆焊模型的所有外壁面均为热交换面；
结构边界条件是指根据实际生产装夹情况对焊件进行装夹约束，若是平板堆焊则对8个顶点分别约束X、Y、Z方向平动自由度，令金属板模型可自由变形而不发生刚体移动；
步骤四、建立堆焊热源方程
建立双椭球型的热源模型，该热源模型的前半部分、后半部分均是是1/2的椭球，前半部分椭球体热源、后半部分椭球体热源分布分别为：
其中，Q为堆焊过程的线能量密度，Q＝UI/v，U为堆焊电压，I为堆焊电流，v为堆焊速度，η为焊接热效率；ff及fb分别为双椭球前半球及后半球的能量分布系数，ff+fb＝2；a，b，cf及cb为热源形状参数，a是热源的半宽，b为热源半高，cf和cb分别是热源前、后半球的长度；
步骤五、热源模型校核
首先，初选热源形状参数来调用堆焊热源方程，用于堆焊热力耦合有限元分析模型对焊接过程进行数值模拟；然后基于调取的计算结果来获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图，最终获得热源参数与堆焊层尺寸比例关系：
an＝kaW0/2,bn＝kbH0,η＝ηn；
其中n表示第n次校核，ka和kb分别为第n次校核所用热源模型参数an及bn与堆焊层半宽W0/2及堆焊层高度H0的比例关系；
步骤六、工艺参数设计及模型参数调整
基于实际生产所用工艺参数设计优化的堆焊工艺参数，并根据优化的工艺参数调整堆焊有限元模型及热源模型；其中送丝速度不变，线能量密度范围控制在±20％；
有限元模型中堆焊层宽度W及高度H依据如下堆焊层尺寸经验公式调整：
W0、H0、v0、P0分别为工艺参数优化前堆焊层宽度、高度、焊接速度及功率，P0＝U0I0，Δv为速度变化，ΔP为功率变化；
上述热源模型参数则根据步骤五校核所得热源参数与堆焊层尺寸比例关系套用于新模型；
步骤七、堆焊温度场及应力场计算，即采用调整好的堆焊有限元模型及热源模型，在优化的堆焊工艺参数条件下进行数值模拟计算；
步骤八、结果分析及参数评价
调取计算结果，获取堆焊层截面温度场分布图，设置熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽、熔深，结合堆焊层高度，对堆焊效率及稀释率进行评价；接着获取堆焊层整体残余应力分布及中心截面的残余应力分布及塑性变形分布，对比工艺参数调整前后的上述参数，对工艺参数调整的可行性进行评价。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数改进及优化方法，其特征在于，所述步骤五热源模型校核的详细内容为：
首先，基于步骤一所得工艺参数条件下堆焊参数来初选热源参数；热源参数包括a0、b0、cf0、cb0、ff、fb和堆焊热效率η0；上述初始热源参数计算公式如下：
然后，输入热源参数，在模拟软件中对建好的模型网格加载双椭球热源方程，使热源随时间变化作用于堆焊层，对堆焊过程进行数值模拟计算；
接着，调取模拟计算结果获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图的具体方法为；
通过表面温度场分布获得距焊趾1mm处的峰值温度Tn；分别设置母材及堆焊层熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽Wn、熔深hn；如果数据匹配，即|Tn-T0|＜＜5％T0且|hn-h0|＜＜5％(Hn+h0)，则建立热源参数与堆焊层尺寸关系，如果数据不匹配，则更新调整热源参数；
其中，第n次热源调整数据匹配后，热源参数与堆焊层尺寸关系为：
其中，第n次热源参数调整的公式为：
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| CN202310696048.XA CN116756870A (zh) | 2023-06-13 | 2023-06-13 | 基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法 |
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