本發(fā)明屬于焊接數(shù)值模擬熱源模型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型參數(shù)的確定方法。

背景技術(shù)：

埋弧焊(含埋弧堆焊及電渣堆焊等)是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。其固有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點(diǎn)，使其成為壓力容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。近年來，雖然先后出現(xiàn)了許多種高效、優(yōu)質(zhì)的新焊接方法，但埋弧焊的應(yīng)用領(lǐng)域依然未受任何影響。

焊接過程是在高溫下的動(dòng)態(tài)過程，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬以確保焊接溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力變形分析的計(jì)算精度。埋弧焊數(shù)值模擬首要解決的問題是埋弧焊熱源模型參數(shù)選擇的問題。目前單絲埋弧焊熱源模型參數(shù)確定方法主要為試算，由于研究人員的經(jīng)驗(yàn)及時(shí)間限制，很難保證熱源模型的精度，同時(shí)又增加了開發(fā)成本。

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，提供了一種單絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型參數(shù)的確定方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中確定熱源模型參數(shù)計(jì)算量大、精度不高的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種單絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型參數(shù)的確定方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一：建立雙橢球熱源模型得到熱流密度分布函數(shù)：

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(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度，b為雙橢球短半軸長(zhǎng)度，c為雙橢球深度，t為焊接過程進(jìn)行的時(shí)間；

步驟二，建立有限元模型，取一組單絲埋弧焊匹配的焊接電壓、焊接電流、焊接速度、和焊接傾角作為已知參數(shù)，進(jìn)行有限元反演獲得最優(yōu)的雙橢球熱源模型參數(shù)；

步驟三，對(duì)以上雙橢球熱源模型參數(shù)和焊接速度以設(shè)定的幅度進(jìn)行調(diào)整，獲得多組參數(shù)組合；對(duì)各參數(shù)組合分別進(jìn)行模擬獲得相應(yīng)的熔寬熔深數(shù)值，得到多組參數(shù)與熔寬熔深對(duì)應(yīng)的樣本；以雙橢球熱源模型參數(shù)：a_f、a_r、b、c和焊接速度v為輸入?yún)?shù)，以熔寬w、熔深p為輸出參數(shù)，將對(duì)應(yīng)樣本代入回歸方程得出敏感性分析結(jié)果：

其中，x^2w、x^3w、x^4w、x^5w、x^6w為a_f、、a_r、b、c、v對(duì)熔寬w的敏感性系數(shù)；x^2p、x^3p、x^4p、x^5p、x^6p為a_f、a_r、b、c、v對(duì)熔深p的敏感性系數(shù)；x_1w、x_1p為與Q有關(guān)的函數(shù)f(Q)、g(Q)；

步驟四，對(duì)所得敏感性方程進(jìn)行簡(jiǎn)化和擬合，具體過程為：

1)根據(jù)步驟三中敏感性方程得出影響熔寬w、熔深p的主要熱源模型參數(shù)為b、c以及v；因此忽略對(duì)敏感性方程影響小的參數(shù)a_f和a_r，得出簡(jiǎn)化后的敏感性方程；

2)將多組樣本數(shù)值代入簡(jiǎn)化后的敏感性方程中對(duì)f(Q)、g(Q))進(jìn)行二次擬合；得到f(Q)、g(Q)關(guān)于Q的表達(dá)式；

步驟五，利用以上敏感性方程預(yù)測(cè)熱源模型參數(shù)。

進(jìn)一步的，步驟二中，對(duì)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。

進(jìn)一步的，利用模式搜索法進(jìn)行反演。

進(jìn)一步的，步驟三中，參數(shù)調(diào)整幅度為10％。

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)明利用敏感性方程預(yù)測(cè)熱源模型參數(shù)，可以提高數(shù)值模擬的精度，減少工藝試驗(yàn)，節(jié)約開發(fā)成本。對(duì)于未經(jīng)試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)，通過預(yù)測(cè)公式能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行擴(kuò)展，并使計(jì)算結(jié)果連續(xù)化，從而能夠獲得在一定范圍內(nèi)的一定工藝參數(shù)組合所對(duì)應(yīng)的熱源模型參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明焊接件的有限元分析網(wǎng)格模型示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中網(wǎng)格劃分示意圖；

圖4是圖3中實(shí)施例利用預(yù)測(cè)所得模型參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)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)明的一種單絲埋弧焊數(shù)值模擬熱源模型參數(shù)的確定方法，包括以下步驟：

步驟一：建立雙橢球熱源模型；

根據(jù)單絲埋弧焊具有能量密度高、加熱范圍集中等工藝特點(diǎn)，采用雙橢球熱源模型進(jìn)行焊接數(shù)值模擬。由于該熱源模型所描述的熱流密度分布在橢球形體積內(nèi)，能夠反映出焊接沿深度方向?qū)讣M(jìn)行加熱的特點(diǎn)，因此可以對(duì)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的模擬。然而對(duì)于功率大小相同的熱源，當(dāng)熱流密度分布不同時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大差異。而雙橢球模型的形狀參數(shù)對(duì)其內(nèi)部熱流密度分布有決定性的影響，因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法來確定雙橢球熱源模型中形狀參數(shù)的數(shù)值。

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，在實(shí)際工藝中單絲埋弧焊焊接傾角通常為0；a_f、a_r為雙橢球熱源模型前、后半球長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度，b為雙橢球短半軸長(zhǎng)度，c為雙橢球深度，t為焊接過程進(jìn)行的時(shí)間。

單絲埋弧焊采用雙橢球熱源模型模擬焊接中的移動(dòng)熱源。由于埋弧焊焊絲導(dǎo)電長(zhǎng)度短，電流和電流密度高，焊絲熔敷效率很高，所以取η(電弧有效系數(shù))為0.9?？芍附与妷?、焊接電流、焊接速度和焊接傾角均為焊接工藝參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)階段為已知參數(shù)，確定雙橢球熱源模型形狀需要求解四個(gè)參數(shù)a_f、a_r、b和c。而這四個(gè)參數(shù)的大小將直接影響到焊接過程中溫度場(chǎng)的分布，因此，求解這四個(gè)參數(shù)是關(guān)鍵。

步驟二，建立有限元模型模擬溫度場(chǎng)，取一組單絲埋弧焊匹配的焊接電壓、焊接電流、焊接速度和焊接傾角作為模擬基本參數(shù)，基于熔深、熔寬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用模式搜索法反演獲得雙橢球熱源模型參數(shù)；

在ABAQUS平臺(tái)中對(duì)焊件建立三維焊接有限元模型進(jìn)行模擬溫度場(chǎng)；定義溫度場(chǎng)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(duì)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(duì)零度和玻爾茲曼常數(shù)。

對(duì)有限元模型進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分：如圖2所示，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。

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)，將此參數(shù)代入雙橢球熱源模型中，施加FORTRAN語言編寫的雙橢球熱源模型描述的熱源載荷；基于實(shí)驗(yàn)所得熔深、熔寬數(shù)值進(jìn)行有限元模式搜索法反演，獲得溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，由溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)得熔深、熔寬。以所得熔深、熔寬與實(shí)驗(yàn)焊接熔池的熔深、熔寬(此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可采用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量焊件所得)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四個(gè)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。

以一實(shí)施例來詳細(xì)說明此過程，選用尺寸為10mm×300mm×300mm的Q235A鋼板。有限元非均勻網(wǎng)格劃分的示意圖參見圖3，焊縫處采用網(wǎng)格大小為1.6mm，遠(yuǎn)離焊縫處選用網(wǎng)格大小為3.5mm。

取焊接電流為1000A，焊接電壓為32V，焊接速度為16mm/s，焊接傾角為0，f_f取1.1，f_r取0.9。實(shí)驗(yàn)所得熔寬w＝13.02mm，熔深p＝9.80mm，此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可采用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量焊件所得。利用模式搜索法得出與實(shí)際熔池形貌相吻合的一組雙橢球模型參數(shù)。對(duì)根據(jù)模式搜索法進(jìn)行有限元模擬而得到的眾多參數(shù)統(tǒng)計(jì)歸納可以得到，取a_f＝b，a_r＝3b，得出模型參數(shù)：b＝4.3，c＝8.6，a_f＝4.3，a_r＝12.9。

將此四個(gè)模型參數(shù)代入雙橢球熱源模型中計(jì)算出熔池的熔深、熔寬結(jié)果，結(jié)果如下表1所示，可知此熔深熔寬的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為6％左右，因此在熔池形貌上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合：

表1模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

步驟三：對(duì)步驟二中雙橢球熱源模型參數(shù)和焊接速度以10％的幅度進(jìn)行調(diào)整，即調(diào)整a_f、a_r、b、c和v至原參數(shù)的0.8、0.9、1.1、1.2……倍，對(duì)各參數(shù)組合進(jìn)行模擬計(jì)算出相應(yīng)的熔寬、熔深數(shù)值，得到多組參數(shù)與熔寬、熔深對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)值；以雙橢球熱源模型參數(shù)：a_f、a_r、b、c和焊接速度v為輸入?yún)?shù)，以熔寬w、熔深p為輸出參數(shù)，將對(duì)應(yīng)樣本代入回歸方程得出敏感性分析結(jié)果：

其中v為焊接速度；x^2w、x^3w、x^4w、x^5w、x^6w為a_f、a_r、b、c、v對(duì)熔寬w的敏感性系數(shù)；x^2p、x^3p、x^4p、x^5p、x^6p為a_f、a_r、b、c、v對(duì)熔深p的敏感性系數(shù)；x_1w、x_1p為與Q(電弧有效功率)有關(guān)的函數(shù)f(Q)、g(Q)。

在實(shí)施例中，對(duì)熱源模型參數(shù)a_f、a_r、b、c和焊接速度v調(diào)整至原參數(shù)的0.8、0.9、1.1、1.2……倍，進(jìn)行模擬獲得模擬的熔寬、熔深值，得到多組參數(shù)-熔寬、熔深實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入使(3)和(4)中，得到得出敏感性方程：

步驟四，對(duì)所得敏感性方程進(jìn)行簡(jiǎn)化和擬合。

簡(jiǎn)化：由式(5)和(6)得出，a_f、a_r對(duì)熔寬w、熔深p的影響很小；而c以及焊接速度v對(duì)熔寬w、熔深p影響較大；b對(duì)于熔寬w影響較小，對(duì)于熔深p有一定影響。即得出影響w、p的主要參數(shù)為：b、c以及焊接速度v；忽略對(duì)敏感性方程影響小的參數(shù)a_f、a_r，得出簡(jiǎn)化后的敏感性方程。

擬合：將步驟三中得到的多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入簡(jiǎn)化后的方程(5)和(6)中對(duì)f(Q)、g(Q)進(jìn)行二次擬合，得到f(Q)、g(Q)關(guān)于Q的表達(dá)式；

忽略對(duì)敏感性方程影響小的參數(shù)，得出精簡(jiǎn)后的敏感性方程為：

步驟五，將得出的簡(jiǎn)化敏感性方程用于熱源模型參數(shù)預(yù)測(cè)，利用ABAQUS軟件將預(yù)測(cè)參數(shù)用于熱源模型并加載，得到溫度場(chǎng)結(jié)果，由溫度場(chǎng)結(jié)果得出焊接熔池形狀及相應(yīng)輸出參數(shù)結(jié)果熔寬w、熔深p，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。

取焊接電壓為34V，焊接電流為650A，焊接速度為39m/h，焊接傾角為0的單絲埋弧焊作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得熔寬w＝14.38mm，熔深p＝6.02mm，此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可采用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量焊件所得。根據(jù)預(yù)測(cè)公式(7)(8)，將已知的工藝參數(shù)代入預(yù)測(cè)公式可以得出模型參數(shù)：b＝7.5，c＝7.9，a_f＝b＝7.5，a_r＝3b＝22.5。

將以上得出的參數(shù)代入雙橢球熱源模型中，用ABAQUS軟件模擬得出溫度場(chǎng)以及熔池形狀，利用預(yù)測(cè)所得模型參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如下表2所示，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)公式所得模型參數(shù)的模擬結(jié)果吻合度較高；利用預(yù)測(cè)所得模型參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示，圖4中左邊是實(shí)驗(yàn)中熔池形貌、右邊是模擬結(jié)果的熔池形貌；從圖中可以看出模擬結(jié)果在熔池形貌上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較好的吻合，預(yù)測(cè)公式得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

表2預(yù)測(cè)公式所得模擬結(jié)果與實(shí)際對(duì)比

基于以上分析可知，根據(jù)已知工藝參數(shù)(包括焊接電壓、焊接電流、焊接速度、焊接傾角、熔深熔寬)利用預(yù)測(cè)公式計(jì)算出的熱源模型參數(shù)精確度高。

本發(fā)明利用敏感性方程預(yù)測(cè)熱源模型參數(shù)，可以提高數(shù)值模擬的精度，減少工藝試驗(yàn)，節(jié)約開發(fā)成本。對(duì)于未經(jīng)試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)，通過預(yù)測(cè)公式能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行推廣，并使計(jì)算結(jié)果連續(xù)化，從而能夠獲得在一定范圍內(nèi)的任意焊接工藝參數(shù)組合所對(duì)應(yīng)的熱源模型參數(shù)。

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(duì)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。