基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法及系统，属于焊接技术领域。本发明专利技术在总结大量文献的焊接实验现象和模拟焊接过程中的参数设置的基础上，发现无论热源模型参数a

【技术实现步骤摘要】
基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法及系统


[0001]本专利技术属于焊接
，更具体地，涉及一种基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法及系统。

技术介绍

[0002]焊接是现代工业制造的核心技术，良好的焊接工艺及技术是设备连接质量、长期安全服役的保障。传统方法通过中子衍射、同步辐射或轮廓法等实验来评定焊缝质量。然而，上述传统实验测量过程复杂且昂贵，无法直接观察焊接过程的物理变化、内部应力和温度分布。随着计算机的发展，有限元法可以逐渐取代大量的实验测试，这不仅可以节省大量的实验检测成本，还可以优化焊接工艺，提高焊接质量。在现有的焊接工艺中，控制工艺参数是提高焊接质量的关键途径，但由于保密的原因，工艺参数通常不会轻易向公众公开。尽管文献中已发表了大量关于焊接实验和焊接模拟的论文，但很少有作者发表焊接过程工艺参数的确定方法和模拟数据。
[0003]在现代焊接技术中，确定适合材料的焊接工艺参数是提高产品工艺质量的必要组成部分，由此准确地模拟焊接的过程可以极大地提高生产效率，但是，如何快速找到合适的工艺参数是焊接与制造工业亟需解决的问题。在数值计算中通常使用高斯热源模拟焊接过程。热源主要分为线热源、面热源和体热源。线热源通常用于热膨胀实验模拟，而不用于焊接模拟。面热源通常可用于薄板焊接，而体热源通常用于具有厚度的三维试样的焊接模拟。
[0004]Nguyen等人推导出了半无限体中双椭球功率密度移动热源的解析解，为该解在微观结构建模、热应力分析、残余应力/变形和焊接过程模拟等问题中的应用奠定了基础。Eagar等人推导了半无限板上传播的分布式热源的解析解，探究了工艺参数对电弧焊接池的尺寸和形状的关系，发现焊接工艺变量(电流、电弧长度和焊接速度)和材料参数(热扩散率)对焊接形状有显著影响。这为Goldak等人的热源模型提供了理论基础。为了使用热源模拟焊接过程，Goldak等人于1984年利用空间功率密度的高斯分布给出了焊接热源的数学模型，提出了一种双椭球几何形状，通过改变热源的尺寸和形状，来模拟浅熔透弧焊过程和深熔透激光和电子束过程。然而Pramanik等人发现，使用2D截面分析近似焊缝的3D传热分析会导致计算温度的误差。Gery等人研究了焊接速度、能量输入和热源分布对熔化区和热影响区形状和边界的相互关联，发现它们影响熔化区的峰值温度，从而影响焊接板中的瞬态温度分布，但Gery等人没有探索峰值温度与热参数之间的关系。以上学者都对热源模型参数的确定进行了深入的研究，但是很少有工作研究焊接动态过程中工艺参数与温度的关系，目前也没有学者提出准确的工艺参数校核方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进的需求，本专利技术在总结大量文献的焊接实验现象和模拟焊接过程中的参数设置的基础上，提出了热源形状影响因子的概念，并利用热源形状影响因子快速确定焊接所需的热源模型参数。同时，本专利技术探讨了电偶峰值温度分别与热效
率和传热系数之间的关系，通过获得的热源模型参数、热效率和传热系数，可以为焊接模拟提供快速有效的技术支持。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法，包括：
[0007]S1，获取焊接实验的热参数；
[0008]S2，测量焊缝横截面和上表面形态，获得短轴长度b、椭球深度c、前半球长半轴长度a
f
、后半球长半轴长度a
r
的初始值，并计算第一、第二、第三热源形状影响因子
[0009]S3，构建双椭球热源模型，将当前测量的a
f
、a
r
、b、c代入双椭球热源模型中，计算得到金属的温度轮廓截面，再根据金属的熔融轮廓线确定模拟的焊缝尺寸；若模拟的焊缝尺寸与S2实际测量得到的焊缝尺寸之间的误差超过第一阈值，则执行S4，否则，输出对应位置的温度历程；
[0010]S4，若模拟的焊缝尺寸较大，则固定k1、k2和k3的同时，减小a
f
、a
r
、b、c的值；若模拟的焊缝尺寸较小，则固定k1、k2和k3的同时，增大a
f
、a
r
、b、c的值；直至二者的误差不超过第一阈值，并输出对应位置的温度历程；
[0011]S5，将S3或S4输出的对应位置的温度历程，与S2实际测量的温度历程进行对比，确定传热系数和热效率；
[0012]S6，将当前的a
f
、a
r
、b、c、传热系数和热效率，代入双椭球热源模型中，计算模拟的焊缝尺寸和温度历程，分别与S2实际测量得到的焊缝尺寸和温度历程进行比较，若误差均不超过第二阈值，则校核成功，否则返回执行S3。
[0013]进一步地，所述S1中，热参数包括焊接的热功率、焊接速度和离焦量。
[0014]进一步地，所述第一阈值为1％～5％。
[0015]进一步地，所述第二阈值为1％～5％。
[0016]进一步地，所述S4中，以10％的比例增大或减小a
f
、a
r
、b、c的值。
[0017]进一步地，所述S5中，通过对比峰值温度确定焊接的热效率。
[0018]第二方面，本专利技术提供了一种基于几何模型快速校核焊接热源参数的系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0019]所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0020]所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0022]本专利技术在大量文献的焊接实验观察和模拟焊接过程中的参数设置的基础上，首次发现无论热源模型参数a
f
、a
r
、b、c如何变化，其相应的比值，如第一、第二、第三热源形状影响因子几乎不变。基于此，本专利技术假设k1、k2和k3保持不变的情况下，通过比较模拟的焊缝尺寸和温度历程与实际测量得到的焊缝尺寸和温度历程，对焊接热源模型参数进行快速校核。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例提供的一种基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法的流程框图；
[0024]图2为本专利技术实施例提供的焊接熔池形态三维示意图；
[0025]图3为本专利技术实施例提供的实际测量得到的焊缝形态，其中(a)、(b)、(c)为三种不同的焊缝形态；
[0026]图4为本专利技术实施例提供的双椭球热源模型示意图；
[0027]图5为本专利技术实施例提供的双椭球热源模型在实验校核中的具体应用。其中(a)为模拟的焊缝轮廓与实验对比，(b)为(a)中焊缝截面右侧热电偶的温度历程与模拟结果对比，(c)为(a)中焊缝截面底部中点的热电偶温度历程与模拟结果对比。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于焊接形貌快速校核焊接热源模型参数的方法，其特征在于，包括：S1，获取焊接实验的热参数；S2，测量焊缝横截面和上表面形态，获得短轴长度b、椭球深度c、前半球长半轴长度a
f
、后半球长半轴长度a
r
的初始值，并计算第一、第二、第三热源形状影响因子S3，构建双椭球热源模型，将当前测量的a
f
、a
r
、b、c代入双椭球热源模型中，计算得到金属的温度轮廓截面，再根据金属的熔融轮廓线确定模拟的焊缝尺寸；若模拟的焊缝尺寸与S2实际测量得到的焊缝尺寸之间的误差超过第一阈值，则执行S4，否则，输出对应位置的温度历程；S4，若模拟的焊缝尺寸较大，则固定k1、k2和k3的同时，减小a
f
、a
r
、b、c的值；若模拟的焊缝尺寸较小，则固定k1、k2和k3的同时，增大a
f
、a
r
、b、c的值；直至二者的误差不超过第一阈值，并输出对应位置的温度历程；S5，将S3或S4输出的对应位置的温度历程，与S2实际测量的温度历程进行对比，确定传热系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张桢，赵飞，黄剑斐，郭凯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：