用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预测方法与流程

1.本发明涉及连退焊接工艺中的焊接质量控制方法，尤其涉及一种用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预测方法。


背景技术：

2.近年来，随着汽车制造、精密仪器仪表、家电包装等行业的快速发展，连退机组对焊接工艺要求不断提升，焊接质量的提升成为关键，焊缝厚度作为焊缝质量好坏的重要因素。焊接工艺是指依据所焊接的前后材料的性质，选择合理的焊接形式与焊接技术，设定合理的焊接电流、焊接速度、焊轮压力等参数，通过预热处理及保持时间、焊后消除应力热处理，规定相应的操作技术要求，选择合理的焊条材质，以达到符合条件的焊接接头、抗拉强度等技术要求，形成永久性的连接。
3.焊缝厚度模型的建立与焊接融合所需要的热量以及有效热量有关，带钢焊接质量达到最优，则需使有效热量刚好等于熔核热量，当有效热量偏小则会出现虚焊现象；有效热量偏大则会出现过焊现象，且有效热量越大过焊越严重。在连退机组生产中，虚焊和过焊情况严重时导致焊缝厚度无法到达最优，最后会出现断带事故，而发生断带事故后会直接导致生产线停机、作业率下降、产品成材率下降等问题。
4.中国发明专利申请cn201910492079.7公开了一种电阻缝焊工艺参数的获取方法及焊接方法，电阻缝焊工艺参数的获取方法，最快焊接速度通过以下步骤确定：基于有限元法，建立窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块；根据窄搭接电阻缝焊温度场/应力场计算模块，给定的焊接电流、电极压力与搭接量，提取出熔核尺寸和塑性环尺寸；以熔核尺寸和塑性环尺寸为约束条件，求解最快焊接速度。该专利申请采用焊接电流、电极压力与搭接量来求解最快的焊接速度，虽然该专利申请提高了焊接速度，但焊接质量的影响因素众多，焊缝厚度是其中的主要影响因素，该专利申请无法对焊缝厚度起到有效的控制和预报，从而无法用于焊接质量的预报。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预测方法，能根据焊接工艺的参数预测焊接后的焊缝厚度，适用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预报，推广应用前景良好。
6.本发明是这样实现的：
7.一种用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预测方法，包括以下步骤：
8.步骤1：收集连退机组窄搭接电阻焊机的焊接工艺参数；
9.步骤2：计算上焊轮与前行带钢的接触宽度b
dws
和下焊轮与后行带钢的接触宽度b
dwx
；计算公式为：
[0010][0011]
其中，y
hls
为上焊轮对前行带钢的影响系数，e1为上焊轮弹性模量，v1为上焊轮泊松比，e2为前行带钢弹性模量、v2为前行带钢泊松比，r
hls
为上焊轮半径；
[0012][0013]
其中，y
hlx
为下焊轮对后行带钢的影响系数，e3为下焊轮弹性模量，v3为下焊轮泊松比，e4为后行带钢弹性模量、v4为后行带钢泊松比，r
hlx
为下焊轮半径；
[0014]
步骤3：计算前行带钢与电极间的接触电阻rw1和后行带钢与电极间的接触电阻rw2；
[0015][0016][0017]
其中，k1为边缘效应引起电流场扩展的系数；k2为绕流现象引起电流扩展的系数；k
31
为前行带钢焊接碳当量对前行带钢与电极间的接触电阻的影响指数，k
32
为后行带钢焊接碳当量对后行带钢与电极间的接触电阻的影响指数；ρ
01
为前行带钢0℃时的电阻率，该电阻率由前行带钢的钢种确定，ρ
02
为后行带钢0℃时的电阻率，该电阻率由后行带钢的钢种确定；α
11
为电阻率ρ
01
随温度变化的电阻温度系数，α
12
为电阻率ρ
02
随温度变化的电阻温度系数；k4为熔核熔融宽度系数；ce1为前行带钢焊接碳当量；h1为前行带钢厚度；b
djl
为搭接量；ce2为后行带钢焊接碳当量；h2为后行带钢厚度；
[0018]
步骤4：计算焊缝处的总电阻r，计算公式为：
[0019][0020]
其中，p为焊接压力，m为焊轮接触形式相关系数，m由焊接时焊轮与带钢的接触形式确定，kc为接触系数，该接触系数由接触材料和表面情况确定；
[0021]
步骤5：计算焊接熔核时的有效热量q1，计算公式为：
[0022][0023]
其中，γ为有效热量计算系数，α2为搭接处的厚度对有效热量的影响指数，β为前行带钢和后行带钢焊接碳当量的平均值对有效热量的影响指数，i为焊接电流，v为焊接速度v，r为焊接电阻；
[0024]
步骤6：计算焊缝厚度h，计算公式为：
[0025][0026]
其中，a、b、c均为模型系数，bq为有效热量影响系数，b
p
为焊接压力影响系数，b
l
为搭接量影响系数；
[0027]
步骤7：输出连退机组焊缝厚度的预测结果h；
[0028]
步骤8：计算焊缝厚度的占比，计算公式为：
[0029]
h/h*100％
ꢀꢀꢀ
(10)。
[0030]
所述的步骤1中，焊接工艺参数包括：焊接压力p、搭接量b
djl
、焊接电流i、焊接速度v、焊接电阻r、上焊轮半径r
hls
、下焊轮半径r
hlx
、上焊轮弹性模量e1、上焊轮泊松比v1、前行带钢弹性模量e2、前行带钢泊松比v2、下焊轮弹性模量e3、下焊轮泊松比v3、后行带钢弹性模量e4、后行带钢泊松比v4、前行带钢焊接碳当量ce1、后行带钢焊接碳当量ce2、前行带钢厚度h1、后行带钢厚度h2。
[0031]
所述的搭接量b
djl
的取值范围是0.7-1.3mm。
[0032]
所述的步骤2中，上焊轮对前行带钢的影响系数y
hls
的取值范围是0＜y
hls
＜1，下焊轮对后行带钢的影响系数y
hlx
的取值范围是0＜y
hlx
＜1。
[0033]
所述的步骤3中，边缘效应引起电流场扩展的系数k1＝0.82-0.84；绕流现象引起电流扩展的系数k2＝0.8-0.9；前行带钢焊接碳当量对前行带钢与电极间的接触电阻的影响指数k
31
＝0.05，后行带钢焊接碳当量对后行带钢与电极间的接触电阻的影响指数k
32
＝0.06；电阻率ρ
01
＝9.78
×
10-8
ωm，电阻率ρ
02
＝9.78
×
10-8
ωm，电阻温度系数α
11
＝6.51
×
10-3
，电阻温度系数α
12
＝6.46
×
10-3
；熔核熔融宽度系数k4＝1.5。
[0034]
所述的步骤4中，上焊轮与前行带钢以及下焊轮与后行带钢采用点接触形式焊接时，m＝0.5；上焊轮与前行带钢以及下焊轮与后行带钢采用线接触形式焊接时，m＝0.7；上焊轮与前行带钢以及下焊轮与后行带钢采用面接触形式焊接时，m＝1。
[0035]
所述的步骤4中，接触系数kc＝0.2-0.3。
[0036]
所述的步骤5中，有效热量计算系数γ＝0.2，搭接处的厚度对有效热量的影响指数α2＝0.25-0.35，前行带钢和后行带钢焊接碳当量的平均值对有效热量的影响指数β＝0.1-2。
[0037]
所述的步骤6还包括：
[0038]
步骤6.1：设定：误差精度为ε、样本数量为m
×n×
o、以及计算焊缝厚度的过程量为h、i、j；定义：样本焊缝厚度为h
hij
、焊缝计算厚度为h(x)、控制函数为g
hij
(x)和目标函数为f(x)；
[0039]
步骤6.2：初始化x0＝{b
p0
，b
q0
，b
l0
，a0，b0，c0}；
[0040]
步骤6.3：令h＝1，i＝1，j＝1；
[0041]
步骤6.4：计算控制函数g
hij
(x)，计算公式为：
[0042]ghij
(x)＝|h
hij-h(x)|
ꢀꢀꢀ
(8)；
[0043]
步骤6.5：计算目标函数f(x)，计算公式为：
[0044][0045]
步骤6.6：判断是否h＞m，若是，则执行步骤6.7，若否，则令h＝h+1，并返回步骤
6.4；
[0046]
步骤6.7：判断是否i＞n，若是，则执行步骤6.8，若否，则令i＝i+1，并返回步骤6.4；
[0047]
步骤6.8：判断是否j＞o，若是，则执行步骤6.9，若否，则令j＝j+1，并返回步骤6.4；
[0048]
步骤6.9：判断是否f(x)＜ε，若是，则执行步骤6.10，若否，则返回步骤6.2；
[0049]
步骤6.10：输出x＝{b
p
，bq，b
l
，a，b，c}。
[0050]
所述的步骤8中，焊缝厚度的占比在80％-90％范围内时，该焊缝厚度满足焊接要求。
[0051]
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0052]
1、本发明由于建立了焊缝厚度预报模型，能在前后带钢的搭接量、带钢焊接碳当量、带钢厚度、焊接电流、焊接速度、焊接电阻和焊接压力等焊接工艺参数和产生有效热量的作用下，分析焊缝的厚度变化情况，实现在不同焊接工艺参数下最终焊缝厚度的定量计算和预报，从而确保焊缝质量达到最优。
[0053]
2、本发明可作为窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预报模型，通用性强，可推广应用，能有效提高机组的实际生产效率和生产质量，并产生良好的经济效益。
[0054]
本发明综合分析前后带钢的搭接量、带钢焊接碳当量、带钢厚度、焊接电流、焊接速度、焊接电阻和焊接压力等焊接工艺参数对焊缝厚度的影响，建立焊缝厚度预报模型，实现对连退机组采用不同焊接工艺时的焊缝厚度的精确计算，用于指导焊接作业以得到最佳的焊缝质量，提高生产效率和品质。
附图说明
[0055]
图1是本发明用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预测方法的流程图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0057]
请参见附图1，一种用于窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预测方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤1：收集连退机组窄搭接电阻焊机的焊接工艺参数，用于下述步骤的计算。
[0059]
所述的焊接工艺参数包括：焊接压力p、搭接量b
djl
(搭接量b
djl
是指前行带钢端部搭接在后行带钢端部上进行焊接时，前行带钢与后行带钢沿带钢长度方向的接触长度，窄搭接的搭接量b
djl
范围为0.7-1.3mm)、焊接电流i、焊接速度v、焊接电阻r、上焊轮半径r
hls
、下焊轮半径r
hlx
、上焊轮弹性模量e1、上焊轮泊松比v1、前行带钢弹性模量e2、前行带钢泊松比v2、下焊轮弹性模量e3、下焊轮泊松比v3、后行带钢弹性模量e4、后行带钢泊松比v4、前行带钢焊接碳当量ce1、后行带钢焊接碳当量ce2、前行带钢厚度h1、后行带钢厚度h2。
[0060]
步骤2：计算上焊轮与前行带钢的接触宽度b
dws
和下焊轮与后行带钢的接触宽度b
dwx
；计算公式为：
[0061][0062]
其中，y
hls
为上焊轮对前行带钢的影响系数，y
hls
由上焊轮压力、上焊轮厚度等现场具体生产因素决定，优选的，0＜y
hls
＜1，e1为上焊轮弹性模量，v1为上焊轮泊松比，e2为前行带钢弹性模量、v2为前行带钢泊松比，r
hls
为上焊轮半径。
[0063][0064]
其中，y
hlx
为下焊轮对后行带钢的影响系数，y
hlx
由下焊轮压力、下焊轮厚度等现场具体生产因素决定，优选的，0＜y
hlx
＜1，e3为下焊轮弹性模量，v3为下焊轮泊松比，e4为后行带钢弹性模量、v4为后行带钢泊松比，r
hlx
为下焊轮半径。
[0065]
步骤3：计算前行带钢与电极间的接触电阻rw1和后行带钢与电极间的接触电阻rw2；计算公式为：
[0066][0067][0068]
其中，k1为边缘效应引起电流场扩展的系数，优选的，k1＝0.82-0.84；
[0069]
k2为绕流现象引起电流扩展的系数，优选的，k2＝0.8-0.9；
[0070]k31
为前行带钢焊接碳当量对前行带钢与电极间的接触电阻的影响指数，优选的，k
31
＝0.05；
[0071]k32
为后行带钢焊接碳当量对后行带钢与电极间的接触电阻的影响指数，优选的，k
32
＝0.06；
[0072]
ρ
01
为前行带钢0℃时的电阻率，该电阻率由前行带钢的钢种确定；
[0073]
ρ
02
为后行带钢0℃时的电阻率，该电阻率由后行带钢的钢种确定；
[0074]
α
11
为电阻率ρ
01
随温度变化的电阻温度系数，优选的，α
11
＝6.51
×
10-3
；
[0075]
α
12
为电阻率ρ
02
随温度变化的电阻温度系数，优选的，α
12
＝6.46
×
10-3
；
[0076]
k4为熔核熔融宽度系数，k4＝1.5；
[0077]
ce1为前行带钢焊接碳当量，h1为前行带钢厚度，b
djl
为搭接量，ce2为后行带钢焊接碳当量，h2为后行带钢厚度。
[0078]
步骤4：计算焊缝处的总电阻r，计算公式为：
[0079][0080]
其中，p为焊接压力；
[0081]
m为焊轮接触形式相关系数，m由焊接时焊轮与带钢的接触形式确定，优选的，上焊
轮与前行带钢以及下焊轮与后行带钢采用点接触形式焊接时，m＝0.5；上焊轮与前行带钢以及下焊轮与后行带钢采用线接触形式焊接时，m＝0.7；上焊轮与前行带钢以及下焊轮与后行带钢采用面接触形式焊接时，m＝1；
[0082]
kc为接触系数，该接触系数由接触材料(接触材料是指上焊轮材料、下焊轮材料、前行带钢材料、后行带钢材料)、表面情况(表面情况是指前行带钢和后行带钢表面粗糙度、上焊轮和下焊轮表面粗糙度)等确定，优选的，kc＝0.2-0.3。
[0083]
步骤5：计算焊接熔核时的有效热量q1，计算公式为：
[0084][0085]
其中，γ为有效热量计算系数，优选的，γ＝0.2；
[0086]
α2为搭接处的带钢厚度对有效热量的影响指数，优选的，α2＝0.25-0.35；
[0087]
β为前行带钢和后行带钢焊接碳当量的平均值对有效热量的影响指数，优选的，β＝0.1-2；
[0088]
i为焊接电流，v为焊接速度v，r为焊接电阻。
[0089]
步骤6：计算焊缝厚度h，计算公式为：
[0090][0091]
其中，a、b、c均为模型系数，bq为有效热量影响系数，b
p
为焊接压力影响系数，b
l
为搭接量影响系数。
[0092]
步骤6.1：设定：误差精度为ε、样本数量为m
×n×
o、以及计算焊缝厚度的过程量为h、i、j，定义：样本焊缝厚度为h
hij
、焊缝计算厚度为h(x)、控制函数为g
hij
(x)和目标函数为f(x)。
[0093]
步骤6.2：初始化x0＝{b
p0
，b
q0
，b
l0
，a0，b0，c0}。
[0094]
步骤6.3：令h＝1，i＝1，j＝1。
[0095]
步骤6.4：计算控制函数g
hij
(x)，计算公式为：
[0096]ghij
(x)＝|h
hij-h(x)|
ꢀꢀꢀ
(8)。
[0097]
步骤6.5：计算目标函数f(x)，计算公式为：
[0098][0099]
步骤6.6：判断是否h＞m，若是，则执行步骤6.7，若否，则令h＝h+1，并返回步骤6.4。
[0100]
步骤6.7：判断是否i＞n，若是，则执行步骤6.8，若否，则令i＝i+1，并返回步骤6.4。
[0101]
步骤6.8：判断是否j＞o，若是，则执行步骤6.9，若否，则令j＝j+1，并返回步骤6.4。
[0102]
步骤6.9：判断是否f(x)＜ε，若是，则执行步骤6.10，若否，则返回步骤6.2。
[0103]
步骤6.10：输出x＝{b
p
，bq，b
l
，a，b，c}。
[0104]
步骤7：输出连退机组焊缝厚度的预测结果h。
[0105]
步骤8：计算焊缝厚度的占比，计算公式为：
[0106]
h/h*100％
ꢀꢀꢀ
(10)。
[0107]
焊缝厚度的占比在80％-90％范围内时，该焊缝厚度满足焊接要求，上述预测模型可作为窄搭接电阻焊机的焊缝厚度预报方法。
[0108]
实施例1：
[0109]
步骤1：收集连退机组窄搭接电阻焊机的焊接工艺参数：
[0110]
焊接压力p＝12kn；搭接量b
djl
＝1.2mm；焊接电流i＝10.5ka；焊接速度v＝10m/min；焊接电阻r＝5.6
×
10-5
ω；上焊轮半径r
hls
＝150mm；下焊轮半径r
hlx
＝150mm；上焊轮弹性模量e1＝2.1
×
105mpa；上焊轮泊松比v1＝0.28；前行带钢弹性模量e2＝2.2
×
105mpa；前行带钢泊松比v2＝0.3；下焊轮弹性模量e3＝2.1
×
105mpa；下焊轮泊松比v3＝0.28；后行带钢弹性模量e4＝2.2
×
105mpa；后行带钢泊松比v4＝0.3；前行带钢焊接碳当量ce1＝0.071；后行带钢焊接碳当量ce2＝0.066；前行带钢厚度h1＝0.9mm；后行带钢厚度h2＝0.9mm。
[0111]
采用上述焊接工艺参数进行以下计算。
[0112]
步骤2：根据公式(1)计算上焊轮与前行带钢的接触宽度b
dws
＝3.03mm，根据公式(2)计算下焊轮与后行带钢的接触宽度b
dwx
＝3.03mm。
[0113]
步骤3：根据公式(3)计算前行带钢与电极间的接触电阻rw1＝1.1
×
10-5
ω，根据公式(4)计算后行带钢与电极间的接触电阻rw2＝1.1
×
10-5
ω。
[0114]
在本实施中，边缘效应引起电流场扩展的系数k1＝0.83，绕流现象引起电流扩展的系数k2＝0.84，前行带钢碳当量对前行带钢与电极间的接触电阻的影响指数k
31
＝0.05，电阻率ρ
01
＝9.78
×
10-8
ωm，电阻温度系数α
11
＝6.51
×
10-3
，后行带钢碳当量对后行带钢与电极间的接触电阻的影响指数k
32
＝0.06，电阻率ρ
02
＝9.78
×
10-8
ωm，电阻温度系数α
12
＝6.46
×
10-3
，熔核熔融宽度系数k4＝1.5。
[0115]
步骤4：根据公式(5)计算焊缝处的总电阻r＝4.24
×
10-5
ω。
[0116]
在本实施例中，上焊轮与前行带钢、下焊轮与后行带钢均采用面接触形式，m＝1，接触系数kc＝0.2。
[0117]
步骤5：根据公式(6)计算焊接熔核时的有效热量q1＝19.7j。
[0118]
在本实施例中，γ＝0.2，搭接处的厚度对有效热量的影响指数α2＝0.29，前行带钢和后行带钢焊接碳当量的平均值对有效热量的影响指数β＝0.18。
[0119]
步骤6：设定：误差精度为ε＝0.1、样本数量为m
×n×
o＝10
×
10
×
10；初始化x0＝{b
p0
，b
q0
，b
l0
，a0，b0，c0}，令h＝1，i＝1，j＝1，控制函数g
hij
(x)＝|h
hij-h(x)|，带入公式(9)中，输出x＝{b
p
＝0.02，bq＝0.03，b
l
＝0.05，a＝0.4，b＝0.6，c＝0.1}
[0120]
步骤7：根据公式(7)计算并预报焊缝厚度h＝0.79mm。
[0121]
步骤8：根据公式(10)计算焊缝厚度的占比为88％，满足焊缝厚度为带钢厚度的80％-90％的要求。
[0122]
实施例2：
[0123]
步骤1：收集连退机组窄搭接电阻焊机的焊接工艺参数：
[0124]
焊接压力p＝16kn；搭接量b
djl
＝1.0mm；焊接电流i＝19.5ka；焊接速度v＝9m/min；焊接电阻r＝5.9
×
10-5
ω；上焊轮半径r
hls
＝150mm；下焊轮半径r
hlx
＝150mm；上焊轮弹性模量e1＝2.1
×
105mpa；上焊轮泊松比v1＝0.28；前行带钢弹性模量e2＝2.2
×
105mpa；前行带钢
泊松比v2＝0.3；下焊轮弹性模量e3＝2.1
×
105mpa；下焊轮泊松比v3＝0.28；后行带钢弹性模量e4＝2.2
×
105mpa；后行带钢泊松比v4＝0.3；前行带钢焊接碳当量ce1＝0.022；后行带钢焊接碳当量ce2＝0.022；前行带钢厚度h1＝1.4mm；后行带钢厚度h2＝1.4mm。
[0125]
采用上述焊接工艺参数进行以下计算。
[0126]
步骤2：根据公式(1)计算上焊轮与前行带钢的接触宽度b
dws
＝3.51mm，根据公式(2)计算下焊轮与后行带钢的接触宽度b
dwx
＝3.51mm。
[0127]
步骤3：根据公式(3)计算前行带钢与电极间的接触电阻rw1＝1.8
×
10-5
ω，根据公式(4)计算后行带钢与电极间的接触电阻rw2＝1.8
×
10-5
ω。
[0128]
在本实施中，边缘效应引起电流场扩展的系数k1＝0.83，绕流现象引起电流扩展的系数k2＝0.85，前行带钢碳当量对前行带钢与电极间的接触电阻的影响指数k
31
＝0.05，电阻率ρ
01
＝9.78
×
10-8
ωm，电阻温度系数α
11
＝6.51
×
10-3
，后行带钢碳当量对后行带钢与电极间的接触电阻的影响指数k
32
＝0.06，电阻率ρ
02
＝9.78
×
10-8
ωm，电阻温度系数α
12
＝6.46
×
10-3
，熔核熔融宽度系数k4＝1.5。
[0129]
步骤4：根据公式(5)计算焊缝处的总电阻r＝5.64
×
10-5
ω。
[0130]
在本实施例中，上焊轮与前行带钢、下焊轮与后行带钢均采用面接触形式，m＝1，接触系数kc＝0.3。
[0131]
步骤5：根据公式(6)计算焊接熔核时的有效热量q1＝14.7j。
[0132]
在本实施例中，γ＝0.2，搭接处的厚度对有效热量的影响指数α2＝0.34，前行带钢和后行带钢焊接碳当量的平均值对有效热量的影响指数β＝0.19。
[0133]
步骤6：设定：误差精度为ε＝0.1、样本数量为m
×n×
o＝10
×
10
×
10；初始化x0＝{b
p0
，b
q0
，b
l0
，a0，b0，c0}，令h＝1，i＝1，j＝1，控制函数g
hij
(x)＝|h
hij-h(x)|，带入公式(9)中，输出x＝{b
p
＝0.03，bq＝0.04，b
l
＝0.04，a＝0.35，b＝0.7，c＝0.2}
[0134]
步骤7：根据公式(7)计算并预报焊缝厚度h＝1.19mm。
[0135]
步骤8：根据公式(10)计算焊缝厚度的占比为85％，满足焊缝厚度为带钢厚度的80％-90％的要求。
[0136]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。