一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接自动控制设备技术领域，具体涉及一种预测旋转电弧低合金结构 钢小角度焊接温度场的方法。
【背景技术】
[0002] 焊接生产是现代工业中的重要加工环节，智能化焊接过程控制系统是提高劳动生 产率、提高焊接质量、改善劳动条件的重要手段。旋转电弧焊接也因其种种优点，已在各行 业大范围应用，但是在除平焊以外的其他位置的旋转焊接时，熔池中液态金属将在外力特 别是重力的作用下将往不同于平焊时的方向流淌，焊炬旋转到不同的焊接位置时，熔池液 态金属所受的力对焊缝成形所起的作用也不完全相同，并且是不断改变的，导致产生一些 焊接缺陷，造成一些损失。深入研宄不同焊接位置的温度场可了解熔池变形和应力变形，同 时也能为焊缝跟踪提供理论依据。
[0003] 采用数值模拟的方法仅需通过少量的试验来验证数值方法在处理某一问题上的 适用性，得出的以确定理论解的可用性和准确度的分析结果还可为今后的深入研宄提供有 力的理论依据，SYSWELD除了能够根据场函数的需要疏密有致地布置节点外，还能与大容量 的电子计算机相结合。因此本文以该有限元计算软件为平台进行分析，结合实际焊接实验， 对低合金结构钢的旋转电弧CO2气体保护焊中的上坡、水平、下坡的焊接过程进行数值模 拟。通过分析焊接过程中的温度场变化，以及研宄这种变化产生的原因，得出的结论可为评 定和优化焊接工艺奠定了基础。
【发明内容】
[0004] 为提高旋转电弧CO2焊焊缝自动跟踪系统的稳定性与跟踪精度，研宄焊接位姿对 温度场的影响。结合低合金结构钢的旋转电弧CO2焊不同焊接位姿的实际焊接工艺参数和 实际结果，基于有限元软件SYSWELD对其温度场进行三维动态模拟。应用该软件对热源进 行校正，分析相应的瞬态温度分布图和特征点的热循环曲线。模拟结果与实际结果基本一 致，所建立的数值模拟仿真模型可以较为真实的反应温度场的变化，为实现焊接过程中的 应力、应变等分析提供了理论依据，也为焊缝跟踪的新算法提供了前提条件。
[0005] 为实现上述目的，本发明预测旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的方法，其步 骤包括：
[0006] (1)确定旋转电弧低合金结构钢的工艺参数、材料的物理性能、焊接环境，分析这 些因素的焊接过程及焊接结果的影响；
[0007] (2)根据上述焊接条件选取平板状的实验板，根据实验条件确定实验板的长度和 宽度；对实验板进行焊接，采用热电偶背面打孔法对实验板焊接过程中热影响区进行测温， 并用电脑记录测温位置和测温结果；
[0008] (3)利用网格划分软件VisualMesh对实验板进行建模和网格划分，采用八节点 六面体单元划分三维有限元模型网格；
[0009] (4)设定实验板模型的热输入条件；利用焊接有限元分析软件SYSWELD对热源模 型的热源参数进行校核，以双椭球形热源模型模拟焊接热源；设定实验板模型的散热边界 条件和边界约束条件；
[0010] (5)计算实验板模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；
[0011] (6)将步骤5得到的实验板模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤2得 到的实验板实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为两 者误差小于10%，则记录上述模拟过程中实验板模型的热学边界条件，否则，对热源参数及 焊接速度与热效率进行微调后，返回步骤4,直到两者误差小于10%为止；
[0012] (7)将上述确定的实验板模型的热边界条件等条件施加到小角度的数值模拟的分 析中，从而计算小角度的焊接温度场，至此，完成旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的 预测。
[0013] 本发明的有益效果是：利用焊接有限元分析软件SYSWELD对焊接过程进行数值模 拟，减少了焊接工艺试验的工作量，降低了实验成本，为实现焊接过程中的应力、应变等分 析提供了理论依据，也为焊缝跟踪的新算法提供了前提条件。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明预测旋转电弧低合金结构钢小角度温度场的方法流程图。
[0015] 图2为本发明实施例中实验板的焊接温度场的实验结果。
[0016] 图3为本发明实施例中实验板的焊接温度场的计算结果。
[0017] 图4为本发明实施例中实验板上坡焊的焊接温度场的计算结果。
[0018] 图5为本发明实施例中实验板上坡焊的焊接温度场的实验结果。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但不限定本发明。
[0020] 本发明提供的一种预测旋转电弧低合金结构钢小角度焊接温度场的方法，如图1 所示，其步骤包括：
[0021] (1)确定旋转电弧低合金结构钢的工艺参数、材料的物理性能、焊接环境，分析这 些因素的焊接过程及焊接结果的影响；
[0022] (2)根据上述焊接条件选取平板状的实验板，并根据实验条件确定实验板的长度 和宽度；
[0023] (3)对实验板进行上坡焊、平焊和下坡焊，并采用热电偶背面打孔方式对实验板焊 接过程中热影响区进行测温，并用电脑记录测温位置和测温结果；
[0024] (4)利用网格划分软件VisualMesh对实验板进行建模和网格划分，采用八节点 六面体单元划分三维有限元模型网格，其中，对焊缝及距离焊缝边缘8mm内的近焊缝区域 网格划分要细密，为了兼顾效率，特此将其单元长度设置为Imm;因为不是焊接影响较大区 域，故对距离焊缝边缘大于8_外的远焊缝区域网格划分稀疏，单元长度设置为3_即可；
[0025] (5)设定实验板模型的热边界条件；利用焊接有限元分析软件SYSWELD对热源模 型的热源参数进行校核，焊接数值模拟中常用的高斯热源将电弧热流看作成围绕加热斑点 中心的对称分布，从而只需一个参数（加热斑点半径）来描述热流的具体分布。实际上，由 于旋转电弧沿焊接方向运动，电弧热流围绕加热斑点中心是不对称分布的，从而不