单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法。

背景技术

气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方法。其焊接效率高，是手弧焊的25-30倍，单丝气电立焊可实现40mm厚钢板一道次成型，且焊缝成形美观，质量优良。这种焊接方法已经广泛应用于贮罐、船体立缝的焊接当中，但是目前的研究主要集中在通过实验来研究单丝气电立焊工艺，而很少有关于气电立焊焊接模拟的工作。

建立合理的热源模型是焊接模拟过程中获得准确、可靠的温度场和应力场的前提，因此，气电立焊焊接过程模拟首要解决的问题是建立合理的焊接热源模型，而国内外关于气电立焊焊接模拟相关工作鲜有报道，并无成熟的热源模型可以应用。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

对于普通焊接的热源模型建立，例如激光焊接热源模型的建立，激光焊接所形成的的熔池形状为“钉子头”，即熔池宽度由焊接表面向内逐渐减小。但单丝气电立焊所形成的熔池为“双钉头”形，即熔池宽度由焊接表面向内先减小后增大，因此适用于激光焊接或其他焊接的、经典的双椭球热源模型建立方法不再适用于单丝气电立焊。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法，能够得到与实际焊缝形貌相吻合的结果。

根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法，包括以下步骤：

S10，建立三维有限元模型：

在建模软件中建立工件的几何模型，利用网格划分软件或有限元计算软件对工件进行网格划分；

S20，基于单丝气电立焊焊后焊缝截面形貌建立组合热源模型，组合热源模型包括一个椭球热源模型和两个高斯椭圆面热源模型；

S30，求解焊接温度场并获取焊缝截面形貌：

将步骤S20当中的热源模型加载到步骤S10当中的有限元模型中，设置模型参数，提交运算获取温度场和焊缝截面形貌。

根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法，针对垂直对接接头的气电立焊焊接过程和气电立焊的“双钉头”形熔池，采用一个椭球热源模型和两个高斯椭圆面热源模型组成的组合热源模型，模拟得到的焊缝截面形貌与实验结果吻合良好，组合热源模型适用于单丝气电立焊焊接模拟，从而可以缩短焊接相关从业人员试验周期，减少成本。

根据本发明的一些实施例，步骤S10当中，网格沿焊缝向两侧方向由细密变疏散。

根据本发明的一些实施例，步骤S10当中，通过生死单元法进行焊缝的逐步填充。

根据本发明的一些实施例，步骤S30当中的模型参数包括材料属性、环境温度、工件表面的换热系数、热辐射系数和Stefan-Boltzmann常数和对流换热系数。

根据本发明的一些实施例，所述边界条件根据实际装卡情况确定。

根据本发明的一些实施例，所述对流换热系数根据前置水冷铜滑块和后置水冷铜衬板的冷却速率确定。

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，所述椭球状热源模型为：

式中：q

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，所述高斯椭圆面热源模型为：

式中：q

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，多热源组合功率满足：

Q＝UIη＝Q

式中，Q为输入的总功率，U和I分别为焊接电压和焊接电流，η为焊接热源效率，Q

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，基于FORTRAN语言开发组合热源模型。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法进行焊接工件网格划分的示意图；

图3是根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法模拟出的焊缝截面形貌与实际焊缝截面形貌的对比图，图中左侧为模拟焊缝截面形貌，右侧为实际焊缝截面形貌。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法，包括以下步骤：

S10，建立三维有限元模型：

在建模软件中建立工件的几何模型，利用网格划分软件或有限元计算软件对工件进行网格划分；

S20，基于单丝气电立焊焊后焊缝截面形貌建立组合热源模型，组合热源模型包括一个椭球体热源模型和两个高斯椭圆面热源模型；

S30，求解焊接温度场并获取焊缝截面形貌：

将步骤S20当中的热源模型加载到步骤S10当中的有限元模型中，设置模型参数，提交运算获取温度场和焊缝截面形貌。

其中，首先进行步骤S10，建立V形坡口的立板对接三维实体模型，之后对三维实体模型进行网格划分，如图2所示。然后进行步骤S20，基于单丝气电立焊焊后焊缝截面形貌采用两个高斯面热源加一个椭球体热源的组合热源模型。最后进行步骤S30，将步骤S20当中建立的组合热源模型加载到步骤S10当中的有限元模型中，设置模型参数，提交运算获取温度场和焊缝截面形貌。

如图3所示，针对垂直对接接头的气电立焊焊接过程和气电立焊的“双钉头”形熔池，即熔池宽度由外至内先减小后增大，步骤S20当中采用一个椭球热源模型和两个高斯椭圆面热源模型组成的组合热源模型，模拟得到的焊缝截面形貌与实验结果吻合良好，组合热源模型适用于单丝气电立焊焊接模拟，从而可以缩短焊接相关从业人员试验周期，减少成本。

根据本发明的一些实施例，步骤S10当中，建立V型坡口的立板对接三维实体模型后，采用疏密过渡的形式划分网格，即焊缝处网格最细，两边逐渐变大。网格沿焊缝向两侧方向由细密变疏散的形式，能够在保证焊缝处的模拟精度的前提下简化程序，减少运算量。

根据本发明的一些实施例，步骤S10当中，通过生死单元法进行焊缝的逐步填充。利用生死单元法进行焊缝的逐步填充，能够在保证温度场计算精度的同时简化程序，避免了复杂的程序设计。需要注意的是，其他常见焊缝填充方法亦可应用于本发明。

根据本发明的一些实施例，步骤S30当中的模型参数包括材料属性、环境温度、工件表面的换热系数、热辐射系数和Stefan-Boltzmann常数和对流换热系数。

进一步的，边界条件根据装夹情况确定。气电立焊在焊接时电弧轴线方向与焊缝熔池方向垂直，在焊缝正面采用水冷铜滑块、焊缝的背面采用水冷挡排(或衬垫、衬板)，使用药芯焊丝送入焊件和挡块形成的凹槽中，熔池四面受到约束。根据焊接时具体的装夹情况确定边界条件，能够提高模拟精度。

进一步的，对流换热系数根据前置水冷铜滑块和后置水冷铜衬板的冷却速率确定。

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，所述椭球状热源模型为：

式中：q

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，所述高斯椭圆面热源模型为：

式中：q

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，多热源组合功率满足：

Q＝UIη＝Q

式中，Q为输入的总功率，U和I分别为焊接电压和焊接电流，η为焊接热源效率，Q

根据本发明的一些实施例，步骤S20中，基于FORTRAN语言开发组合热源模型。

下面参考图1-图3以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的单丝气电立焊焊接热源模型的建立方法。

本实施例以大热输入EH36海工钢垂直对接的单丝气电立焊焊接过程为例进行模拟计算，验证本发明的有益效果。

取两块尺寸为500mm*200mm*30mm的焊接试板进行单丝气电立焊垂直对接焊，坡口角度为35°，间隙8mm，背部用马板固定，正面安装可移动的水冷铜滑块，背面安装通水的水冷铜衬板，焊接电流为380A，电压38V，保护气体为CO

步骤S10，通过三维建模软件建立工件几何模型，然后导入网格划分软件中进行疏密过渡形式的六面体单元网格划分，焊缝附近网格细小，远离焊缝区域网格逐步变大，如图2所示。

第二步：加载本发明所提供的热源模型，相关参数如下表：

第三步：赋予模型材料属性，根据装卡情况设置边界条件，前置水冷铜滑块和后置通水铜衬板的冷却作用通过设置相对应的对流换热系数来实现，设定环境温度、工件表面的换热系数、热辐射系数、Stefan-Boltzmann常数之后提交作业获取温度场和焊缝截面形貌。

为验证本发明模拟计算结果的准确性，将模拟计算结果与实际焊后得到的焊缝截面形貌进行比较，如图2所示，可以看出采用本发明模拟得到了与实际焊缝相似度很高的焊缝截面形貌。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。