一種預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼小角度焊接溫度場(chǎng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接自動(dòng)控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu) 鋼小角度焊接溫度場(chǎng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 焊接生產(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)中的重要加工環(huán)節(jié)，智能化焊接過(guò)程控制系統(tǒng)是提高勞動(dòng)生 產(chǎn)率、提高焊接質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件的重要手段。旋轉(zhuǎn)電弧焊接也因其種種優(yōu)點(diǎn)，已在各行 業(yè)大范圍應(yīng)用，但是在除平焊以外的其他位置的旋轉(zhuǎn)焊接時(shí)，熔池中液態(tài)金屬將在外力特 別是重力的作用下將往不同于平焊時(shí)的方向流淌，焊炬旋轉(zhuǎn)到不同的焊接位置時(shí)，熔池液 態(tài)金屬所受的力對(duì)焊縫成形所起的作用也不完全相同，并且是不斷改變的，導(dǎo)致產(chǎn)生一些 焊接缺陷，造成一些損失。深入研宄不同焊接位置的溫度場(chǎng)可了解熔池變形和應(yīng)力變形，同 時(shí)也能為焊縫跟蹤提供理論依據(jù)。
[0003] 采用數(shù)值模擬的方法僅需通過(guò)少量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值方法在處理某一問(wèn)題上的 適用性，得出的以確定理論解的可用性和準(zhǔn)確度的分析結(jié)果還可為今后的深入研宄提供有 力的理論依據(jù)，SYSWELD除了能夠根據(jù)場(chǎng)函數(shù)的需要疏密有致地布置節(jié)點(diǎn)外，還能與大容量 的電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合。因此本文以該有限元計(jì)算軟件為平臺(tái)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)， 對(duì)低合金結(jié)構(gòu)鋼的旋轉(zhuǎn)電弧CO2氣體保護(hù)焊中的上坡、水平、下坡的焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模 擬。通過(guò)分析焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化，以及研宄這種變化產(chǎn)生的原因，得出的結(jié)論可為評(píng) 定和優(yōu)化焊接工藝奠定了基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為提高旋轉(zhuǎn)電弧CO2焊焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性與跟蹤精度，研宄焊接位姿對(duì) 溫度場(chǎng)的影響。結(jié)合低合金結(jié)構(gòu)鋼的旋轉(zhuǎn)電弧CO2焊不同焊接位姿的實(shí)際焊接工藝參數(shù)和 實(shí)際結(jié)果，基于有限元軟件SYSWELD對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬。應(yīng)用該軟件對(duì)熱源進(jìn) 行校正，分析相應(yīng)的瞬態(tài)溫度分布圖和特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一 致，所建立的數(shù)值模擬仿真模型可以較為真實(shí)的反應(yīng)溫度場(chǎng)的變化，為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的 應(yīng)力、應(yīng)變等分析提供了理論依據(jù)，也為焊縫跟蹤的新算法提供了前提條件。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼小角度溫度場(chǎng)的方法，其步 驟包括：
[0006] (1)確定旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼的工藝參數(shù)、材料的物理性能、焊接環(huán)境，分析這 些因素的焊接過(guò)程及焊接結(jié)果的影響；
[0007] (2)根據(jù)上述焊接條件選取平板狀的實(shí)驗(yàn)板，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件確定實(shí)驗(yàn)板的長(zhǎng)度和 寬度；對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行焊接，采用熱電偶背面打孔法對(duì)實(shí)驗(yàn)板焊接過(guò)程中熱影響區(qū)進(jìn)行測(cè)溫， 并用電腦記錄測(cè)溫位置和測(cè)溫結(jié)果；
[0008] (3)利用網(wǎng)格劃分軟件VisualMesh對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，采用八節(jié)點(diǎn) 六面體單元?jiǎng)澐秩S有限元模型網(wǎng)格；
[0009] (4)設(shè)定實(shí)驗(yàn)板模型的熱輸入條件；利用焊接有限元分析軟件SYSWELD對(duì)熱源模 型的熱源參數(shù)進(jìn)行校核，以雙橢球形熱源模型模擬焊接熱源；設(shè)定實(shí)驗(yàn)板模型的散熱邊界 條件和邊界約束條件；
[0010] (5)計(jì)算實(shí)驗(yàn)板模型溫度場(chǎng)，提取其熱影響區(qū)不同位置處焊接熱循環(huán)參數(shù)；
[0011] (6)將步驟5得到的實(shí)驗(yàn)板模型熱影響區(qū)不同位置處模擬熱循環(huán)參數(shù)和步驟2得 到的實(shí)驗(yàn)板實(shí)際焊接過(guò)程中熱影響區(qū)不同位置焊接熱循環(huán)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)結(jié)果為兩 者誤差小于10%，則記錄上述模擬過(guò)程中實(shí)驗(yàn)板模型的熱學(xué)邊界條件，否則，對(duì)熱源參數(shù)及 焊接速度與熱效率進(jìn)行微調(diào)后，返回步驟4,直到兩者誤差小于10%為止；
[0012] (7)將上述確定的實(shí)驗(yàn)板模型的熱邊界條件等條件施加到小角度的數(shù)值模擬的分 析中，從而計(jì)算小角度的焊接溫度場(chǎng)，至此，完成旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼小角度溫度場(chǎng)的 預(yù)測(cè)。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：利用焊接有限元分析軟件SYSWELD對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模 擬，減少了焊接工藝試驗(yàn)的工作量，降低了實(shí)驗(yàn)成本，為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變等分 析提供了理論依據(jù)，也為焊縫跟蹤的新算法提供了前提條件。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼小角度溫度場(chǎng)的方法流程圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)板的焊接溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0016] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)板的焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。
[0017] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)板上坡焊的焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。
[0018] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)板上坡焊的焊接溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但不限定本發(fā)明。
[0020] 本發(fā)明提供的一種預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼小角度焊接溫度場(chǎng)的方法，如圖1 所示，其步驟包括：
[0021] (1)確定旋轉(zhuǎn)電弧低合金結(jié)構(gòu)鋼的工藝參數(shù)、材料的物理性能、焊接環(huán)境，分析這 些因素的焊接過(guò)程及焊接結(jié)果的影響；
[0022] (2)根據(jù)上述焊接條件選取平板狀的實(shí)驗(yàn)板，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件確定實(shí)驗(yàn)板的長(zhǎng)度 和寬度；
[0023] (3)對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行上坡焊、平焊和下坡焊，并采用熱電偶背面打孔方式對(duì)實(shí)驗(yàn)板焊 接過(guò)程中熱影響區(qū)進(jìn)行測(cè)溫，并用電腦記錄測(cè)溫位置和測(cè)溫結(jié)果；
[0024] (4)利用網(wǎng)格劃分軟件VisualMesh對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，采用八節(jié)點(diǎn) 六面體單元?jiǎng)澐秩S有限元模型網(wǎng)格，其中，對(duì)焊縫及距離焊縫邊緣8mm內(nèi)的近焊縫區(qū)域 網(wǎng)格劃分要細(xì)密，為了兼顧效率，特此將其單元長(zhǎng)度設(shè)置為Imm;因?yàn)椴皇呛附佑绊戄^大區(qū) 域，故對(duì)距離焊縫邊緣大于8_外的遠(yuǎn)焊縫區(qū)域網(wǎng)格劃分稀疏，單元長(zhǎng)度設(shè)置為3_即可；
[0025] (5)設(shè)定實(shí)驗(yàn)板模型的熱邊界條件；利用焊接有限元分析軟件SYSWELD對(duì)熱源模 型的熱源參數(shù)進(jìn)行校核，焊接數(shù)值模擬中常用的高斯熱源將電弧熱流看作成圍繞加熱斑點(diǎn) 中心的對(duì)稱分布，從而只需一個(gè)參數(shù)（加熱斑點(diǎn)半徑）來(lái)描述熱流的具體分布。實(shí)際上，由 于旋轉(zhuǎn)電弧沿焊接方向運(yùn)動(dòng)，電弧熱流圍繞加熱斑點(diǎn)中心是不對(duì)稱分布的，從而不