一種預測旋轉電弧低合金結構鋼小角度焊接溫度場的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于焊接自動控制設備技術領域，具體涉及一種預測旋轉電弧低合金結構 鋼小角度焊接溫度場的方法。
【背景技術】
[0002] 焊接生產是現代工業中的重要加工環節，智能化焊接過程控制系統是提高勞動生 產率、提高焊接質量、改善勞動條件的重要手段。旋轉電弧焊接也因其種種優點，已在各行 業大范圍應用，但是在除平焊以外的其他位置的旋轉焊接時，熔池中液態金屬將在外力特 別是重力的作用下將往不同于平焊時的方向流淌，焊炬旋轉到不同的焊接位置時，熔池液 態金屬所受的力對焊縫成形所起的作用也不完全相同，并且是不斷改變的，導致產生一些 焊接缺陷，造成一些損失。深入研宄不同焊接位置的溫度場可了解熔池變形和應力變形，同 時也能為焊縫跟蹤提供理論依據。
[0003] 采用數值模擬的方法僅需通過少量的試驗來驗證數值方法在處理某一問題上的 適用性，得出的以確定理論解的可用性和準確度的分析結果還可為今后的深入研宄提供有 力的理論依據，SYSWELD除了能夠根據場函數的需要疏密有致地布置節點外，還能與大容量 的電子計算機相結合。因此本文以該有限元計算軟件為平臺進行分析，結合實際焊接實驗， 對低合金結構鋼的旋轉電弧CO2氣體保護焊中的上坡、水平、下坡的焊接過程進行數值模 擬。通過分析焊接過程中的溫度場變化，以及研宄這種變化產生的原因，得出的結論可為評 定和優化焊接工藝奠定了基礎。
【發明內容】
[0004] 為提高旋轉電弧CO2焊焊縫自動跟蹤系統的穩定性與跟蹤精度，研宄焊接位姿對 溫度場的影響。結合低合金結構鋼的旋轉電弧CO2焊不同焊接位姿的實際焊接工藝參數和 實際結果，基于有限元軟件SYSWELD對其溫度場進行三維動態模擬。應用該軟件對熱源進 行校正，分析相應的瞬態溫度分布圖和特征點的熱循環曲線。模擬結果與實際結果基本一 致，所建立的數值模擬仿真模型可以較為真實的反應溫度場的變化，為實現焊接過程中的 應力、應變等分析提供了理論依據，也為焊縫跟蹤的新算法提供了前提條件。
[0005] 為實現上述目的，本發明預測旋轉電弧低合金結構鋼小角度溫度場的方法，其步 驟包括：
[0006] (1)確定旋轉電弧低合金結構鋼的工藝參數、材料的物理性能、焊接環境，分析這 些因素的焊接過程及焊接結果的影響；
[0007] (2)根據上述焊接條件選取平板狀的實驗板，根據實驗條件確定實驗板的長度和 寬度；對實驗板進行焊接，采用熱電偶背面打孔法對實驗板焊接過程中熱影響區進行測溫， 并用電腦記錄測溫位置和測溫結果；
[0008] (3)利用網格劃分軟件VisualMesh對實驗板進行建模和網格劃分，采用八節點 六面體單元劃分三維有限元模型網格；
[0009] (4)設定實驗板模型的熱輸入條件；利用焊接有限元分析軟件SYSWELD對熱源模 型的熱源參數進行校核，以雙橢球形熱源模型模擬焊接熱源；設定實驗板模型的散熱邊界 條件和邊界約束條件；
[0010] (5)計算實驗板模型溫度場，提取其熱影響區不同位置處焊接熱循環參數；
[0011] (6)將步驟5得到的實驗板模型熱影響區不同位置處模擬熱循環參數和步驟2得 到的實驗板實際焊接過程中熱影響區不同位置焊接熱循環參數進行比對，若比對結果為兩 者誤差小于10%，則記錄上述模擬過程中實驗板模型的熱學邊界條件，否則，對熱源參數及 焊接速度與熱效率進行微調后，返回步驟4,直到兩者誤差小于10%為止；
[0012] (7)將上述確定的實驗板模型的熱邊界條件等條件施加到小角度的數值模擬的分 析中，從而計算小角度的焊接溫度場，至此，完成旋轉電弧低合金結構鋼小角度溫度場的 預測。
[0013] 本發明的有益效果是：利用焊接有限元分析軟件SYSWELD對焊接過程進行數值模 擬，減少了焊接工藝試驗的工作量，降低了實驗成本，為實現焊接過程中的應力、應變等分 析提供了理論依據，也為焊縫跟蹤的新算法提供了前提條件。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明預測旋轉電弧低合金結構鋼小角度溫度場的方法流程圖。
[0015] 圖2為本發明實施例中實驗板的焊接溫度場的實驗結果。
[0016] 圖3為本發明實施例中實驗板的焊接溫度場的計算結果。
[0017] 圖4為本發明實施例中實驗板上坡焊的焊接溫度場的計算結果。
[0018] 圖5為本發明實施例中實驗板上坡焊的焊接溫度場的實驗結果。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的描述，但不限定本發明。
[0020] 本發明提供的一種預測旋轉電弧低合金結構鋼小角度焊接溫度場的方法，如圖1 所示，其步驟包括：
[0021] (1)確定旋轉電弧低合金結構鋼的工藝參數、材料的物理性能、焊接環境，分析這 些因素的焊接過程及焊接結果的影響；
[0022] (2)根據上述焊接條件選取平板狀的實驗板，并根據實驗條件確定實驗板的長度 和寬度；
[0023] (3)對實驗板進行上坡焊、平焊和下坡焊，并采用熱電偶背面打孔方式對實驗板焊 接過程中熱影響區進行測溫，并用電腦記錄測溫位置和測溫結果；
[0024] (4)利用網格劃分軟件VisualMesh對實驗板進行建模和網格劃分，采用八節點 六面體單元劃分三維有限元模型網格，其中，對焊縫及距離焊縫邊緣8mm內的近焊縫區域 網格劃分要細密，為了兼顧效率，特此將其單元長度設置為Imm;因為不是焊接影響較大區 域，故對距離焊縫邊緣大于8_外的遠焊縫區域網格劃分稀疏，單元長度設置為3_即可；
[0025] (5)設定實驗板模型的熱邊界條件；利用焊接有限元分析軟件SYSWELD對熱源模 型的熱源參數進行校核，焊接數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 中心的對稱分布，從而只需一個參數（加熱斑點半徑）來描述熱流的具體分布。實際上，由 于旋轉電弧沿焊接方向運動，電弧熱流圍繞加熱斑點中心是不對稱分布的，從而不