本發(fā)明屬于焊接數(shù)值模擬熱源模型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種串列雙絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型的建模方法。

背景技術(shù)：

埋弧焊作為一種高效率的焊接方法，極大程度的提高了焊接構(gòu)件的生產(chǎn)效率。而埋弧焊根據(jù)焊絲數(shù)目不同可分為單絲埋弧焊和多絲埋弧焊，相對單絲埋弧焊，雙絲埋弧焊方法具有以下特點(diǎn)?？商岣吆附铀俣?0％～40％、焊接質(zhì)量好、焊絲熔敷率和電流利用率更高。其主要包括多電源串列雙絲埋弧焊、單電源并列雙絲埋弧焊、單電源串連雙絲埋弧焊等。目前的研究主要集中在多電源串列雙絲埋弧焊方法上，而針對后兩種的研究和應(yīng)用不是很多。

埋弧焊數(shù)值模擬首要解決的問題是埋弧焊熱源模型的問題。但焊接熱源形式眾多，對于雙絲埋弧焊，應(yīng)選擇何種熱源形式至今沒有定論。熱源模型的建立是否合適，直接決定著溫度場、應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。國內(nèi)外關(guān)于埋弧焊數(shù)值模擬的研究大部分采用雙橢球熱源模型，雙橢球熱源模型模擬雙絲埋弧焊所得熔池形狀為單一的橢球形，雖然熔池形狀在熔深、熔寬上有較好匹配，但對熔合線形狀無法有效控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種串列雙絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型的建模方法，在雙橢球熱源模型上加入沿深度方向的衰減函數(shù)，衰減函數(shù)包括：一次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)，此熱源模型不僅可以在熔深、熔寬方面與實(shí)際有較好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合線形狀。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種串列雙絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型的建模方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一：在雙橢球熱源模型上加入沿深度方向的衰減函數(shù)，以兩個(gè)此雙橢球熱源模型建立雙絲模型；

衰減函數(shù)包括一次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)；

以二次函數(shù)作為衰減函數(shù)的雙絲模型熱流密度分布函數(shù)為：

前半部分橢球內(nèi)熱流密度分布函數(shù)為：

后半部分橢球熱流密度分布函數(shù)為：

式中f_f和f_r分別為總的輸入功率在熔池前后部分的分配指數(shù)，且f_f+f_r＝2，Q_i為第i根焊絲的電弧有效功率；v為焊接速度；α_i為第i根焊絲的焊接傾角，a_fi、a_ri為第i根絲對應(yīng)的雙橢球熱源模型前、后半球長半軸的長度，b_i為第i根絲對應(yīng)的雙橢球短半軸長度，c_i為第i根絲對應(yīng)的雙橢球深度，公式中部分為衰減函數(shù)(二次函數(shù))，若取衰減函數(shù)為一次函數(shù)或指數(shù)函數(shù)，則公式部分分別改為或?yàn)楹附舆^程進(jìn)行的時(shí)間，i＝1,2；

步驟二，分別對采用不同衰減函數(shù)的雙絲模型參數(shù)進(jìn)行有限元反演，得到相對應(yīng)的模擬的熔池形狀；

步驟三，以模擬的熔池形狀與實(shí)際熔池形狀吻合度作為選擇衰減函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，得到最優(yōu)的雙絲模型。

進(jìn)一步的，步驟二中，雙絲模型反演過程中對每個(gè)雙橢球熱源模型單獨(dú)進(jìn)行反演，反演中利用模式搜索法計(jì)算得出相應(yīng)的模型參數(shù)。

進(jìn)一步的，選取衰減函數(shù)為二次函數(shù)的熱源模型作為雙絲模型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：本發(fā)明所提供的加入衰減函數(shù)的雙橢球熱源模型不僅可以在熔深、熔寬方面與實(shí)際有較好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合線形狀。本發(fā)明熱源模型構(gòu)建形式簡單，熔池形狀可控力較強(qiáng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似程度較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中雙橢球熱源模型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中焊件的有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖；

圖4是圖3中實(shí)施例利用現(xiàn)有技術(shù)中雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀；

圖5是圖3中實(shí)施例利用加入一次函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀；

圖6是圖3中實(shí)施例利用加入指數(shù)函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀；

圖7是圖3中實(shí)施例利用加入二次函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀；

圖8是圖3中實(shí)施例采用二次函數(shù)作為衰減函數(shù)所得熔池形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的一種串列雙絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型的建模方法，包括以下步驟：

步驟一：在雙橢球熱源模型上加入沿深度方向的衰減函數(shù)，以兩個(gè)此雙橢球熱源模型建立雙絲模型。

現(xiàn)有技術(shù)中，雙橢球熱源模型如圖2所示，雙橢球熱源模型設(shè)定焊接熔池的前半部分作為一個(gè)1/4橢球，后半部分作為另一個(gè)1/4橢球，熱流密度在半橢球體內(nèi)呈高斯函數(shù)正態(tài)分布，中心部分有最大值，從中心到邊緣呈指數(shù)曲線下降。雙橢球熱源模型的公式為：

前半部分橢球內(nèi)熱流密度分布函數(shù)為：

后半部分橢球熱流密度分布函數(shù)為：

式中f_f和f_r分別為總的輸入功率在熔池前后部分的分配指數(shù)，且f_f+f_r＝2，Q為電弧有效功率，Q＝ηUI；U為焊接電壓，I為焊接電流，η為電弧有效熱效率系數(shù)，取值0.77～0.9；v為焊接速度；α為焊接傾角，a_f、a_r為雙橢球熱源模型前、后半球長半軸的長度，b為雙橢球短半軸長度，c為雙橢球深度，t為焊接過程進(jìn)行的時(shí)間。

經(jīng)分析，現(xiàn)有技術(shù)中，雙橢球熱源模型所得熔池形貌與實(shí)際焊接熔池形貌在深度方向上有較大的差別。因此，本發(fā)明在雙橢球熱源模型的深度方向上加入衰減函數(shù)，通過此衰減函數(shù)來有效控制熔合線形狀，達(dá)到控制焊接熔池形狀的目的，從而使得有限元分析所得熔池形狀與實(shí)際熔池形狀有較好的吻合。

衰減函數(shù)包括：一次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)。其在雙橢球熱源模型對應(yīng)的公式分別為：

一次函數(shù)：

指數(shù)函數(shù)：

二次函數(shù)：

在深度方向上加入以上函數(shù)后，可分別得到不同的熔合線形狀，以期在熔池形狀上與實(shí)驗(yàn)相吻合。

以二次函數(shù)為例，加入衰減函數(shù)后，雙橢圓熱源模型公式為：

前半部分橢球內(nèi)熱流密度分布函數(shù)為：

后半部分橢球熱流密度分布函數(shù)為：

公式(3)、(4)中部分為二次衰減函數(shù)，同理，若取衰減函數(shù)為一次函數(shù)或指數(shù)函數(shù)，則公式部分分別改為或

以兩個(gè)此雙橢球熱源模型建立雙絲模型，即為前絲和后絲分別建立加入衰減函數(shù)的雙橢球熱源模型，前絲和后絲模型中加入的衰減函數(shù)相同。

雙絲模型的熱流密度分布函數(shù)為：

前半部分橢球內(nèi)熱流密度分布函數(shù)為：

后半部分橢球熱流密度分布函數(shù)為：

式中f_f和f_r分別為總的輸入功率在熔池前后部分的分配指數(shù)，且f_f+f_r＝2，Q_i為第i根焊絲的電弧有效功率；v為焊接速度；α_i為第i根焊絲的焊接傾角，a_fi、a_ri為第i根絲對應(yīng)的雙橢球熱源模型前、后半球長半軸的長度，b_i為第i根絲對應(yīng)的雙橢球短半軸長度，c_i為第i根絲對應(yīng)的雙橢球深度，公式中部分為衰減函數(shù)(二次函數(shù))，若取衰減函數(shù)為一次函數(shù)或指數(shù)函數(shù)，則公式部分分別改為或?yàn)楹附舆^程進(jìn)行的時(shí)間，i＝1,2。

步驟二，分別對采用不同衰減函數(shù)的雙絲模型參數(shù)進(jìn)行有限元反演，得到相對應(yīng)的模型參數(shù)。

以一實(shí)施例來詳細(xì)說明此過程，選用尺寸為18.4mm×200mm×300mm的Q345A鋼板，在ABAQUS平臺(tái)中建立三維焊接有限元模型進(jìn)行模擬溫度場；定義溫度場控制方程和邊界條件方程中涉及到的焊件材料屬性參數(shù)，包括母材和焊縫的密度、材料相變潛熱、對流系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、輻射換熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比等；設(shè)定絕對零度和玻爾茲曼常數(shù)。

埋弧焊熱輸入量大、熔透能力強(qiáng)，焊接時(shí)電弧吹力大，綜合埋弧焊傳熱特點(diǎn)，對流系數(shù)取20W/(m²·℃)，輻射換熱系數(shù)0.9；f_f取1.1，f_r取0.9；比熱容、熱導(dǎo)率隨溫度變化而變化，其取值如表1：

表1比熱容、熱導(dǎo)率隨溫度變化值

對有限元模型進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分：在焊縫和熱影響區(qū)處采用單元尺寸為焊接熔池寬度的十分之一到八分之一，而在母材外圍采用單元尺寸為焊接熔池寬度的五分之一到四分之一。如圖3所示，實(shí)施例中在焊縫和熱影響區(qū)處采用網(wǎng)格尺寸為2.3mm，而在母材外圍采用網(wǎng)格尺寸為5mm。

取一組埋弧焊匹配的焊接電壓、焊接電流、焊接速度、焊接傾角作為模擬基本參數(shù)，本實(shí)施例中選取前絲焊接電流為600A，前絲焊接電壓為36V，前絲焊接傾角為0；后絲焊接電流為500A，后絲焊接電壓為40V，后絲焊接傾角為15°；焊接速度為3.5m/min。實(shí)驗(yàn)所得熔寬w＝25.98mm，熔深p＝8.29mm，此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可采用游標(biāo)卡尺直接測量焊件所得。

對雙絲模型中兩個(gè)雙橢球模型參數(shù)單獨(dú)反演，先反演出前絲模型參數(shù)，在反演出后絲模型參數(shù)。對單個(gè)雙橢球模型參數(shù)反演的具體過程為：將此已知焊接工藝參數(shù)代入雙橢球熱源模型中，對有限元模型施加FORTRAN語言編寫的加入不同衰減函數(shù)的雙橢球熱源模型作為熱源載荷。利用模式搜索法得出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的一組雙橢球模型參數(shù)，以所得熔深熔寬與實(shí)際測量焊件的熔深熔寬相差小于10％為判據(jù)，得到最優(yōu)的參數(shù)解。其中利用模式搜索法來搜索雙橢球熱源模型參數(shù)的最優(yōu)解屬于現(xiàn)有技術(shù)，具體過程可參考《模式搜索法反演多絲埋弧焊雙橢球熱源模型參數(shù)》文獻(xiàn)中記載的詳細(xì)過程。

基于獲得的最優(yōu)的模型參數(shù)得到溫度場，進(jìn)而獲得模擬的焊接熔池形狀。采用現(xiàn)有技術(shù)中雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀圖如圖4所示，采用加入一次函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀圖如圖5所示，采用加入指數(shù)函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀圖如圖6所示，采用加入二次函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型模擬的熔池形狀圖如圖7所示，采用二次函數(shù)作為衰減函數(shù)所得熔池形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖8所示，圖8中左邊為實(shí)驗(yàn)所得實(shí)際熔池形狀，右邊為采用二次函數(shù)作為衰減函數(shù)所得熔池形狀。對比圖4、5、6、7、8可得，衰減函數(shù)為二次函數(shù)的熱源模型得到的熔池形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熔池形狀相似度較高。二次函數(shù)衰減的熱源模型模擬所得熔深熔寬與實(shí)驗(yàn)所得熔深熔寬數(shù)據(jù)如下表2所示，模擬所得與實(shí)驗(yàn)所得的誤差在4.4％左右，具有較高的精確度。因此衰減函數(shù)為二次函數(shù)的熱源模型不僅可以在串列雙絲埋弧焊熔深熔寬上與實(shí)際結(jié)果有較好的吻合，而且得到的熔池形狀相似度也較高。對比圖4、5、6、7可得，該發(fā)明不同衰減函數(shù)熱源模型對熔池形狀可控力較強(qiáng)，即可以通過改變衰減函數(shù)來改變?nèi)鄢匦螤?，以此作為控制熔池形狀的方法?！?/p>

表2模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

步驟三，以模擬的熔池形狀與實(shí)際熔池形狀吻合度作為選擇衰減函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，得到最優(yōu)的串列雙絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型。

由實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)際熔池形狀與熱流密度在深度方向上以二次函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型所得熔池形狀相似，熔池形狀對比如圖8所示，衰減函數(shù)為二次函數(shù)的熱源模型不僅可以在串列雙絲埋弧焊熔深、熔寬上與實(shí)際結(jié)果有較好的吻合，而且得到的熔池形狀相似度也較高。因此選取二次函數(shù)衰減的雙橢球熱源模型作為串列雙絲埋弧焊的熱源模型。

本發(fā)明所提供的加入衰減函數(shù)的雙橢球熱源模型不僅可以在熔深、熔寬方面與實(shí)際有較好的匹配，而且可以在一定程度上有效控制熔合線形狀。本發(fā)明熱源模型構(gòu)建形式簡單，熔池形狀可控力較強(qiáng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似程度較高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。