多絲埋弧焊熱源模型與焊縫成形的模擬研究.pdf

1、多絲埋弧焊有著較高的熔敷率與生產(chǎn)效率，逐漸成為管線鋼焊接與壓力容器焊接的主要焊接工藝，然而多絲埋弧焊工藝參數(shù)確定仍需通過進行反復的試驗才能確定。目前多絲埋弧焊熱源模型參數(shù)確定方法主要為試算，由于研究人員的經(jīng)驗及時間限制，容易引入人為誤差，很難保證熱源模型的精度，同時在另一方面又增加了開發(fā)成本。為此，急需設計一種更為合理的熱源模型以及獲得其參數(shù)的方案，以降低在試算過程中引入的人為誤差。反演計算作為一種“由果及因”的算法，能夠在輸入?yún)?shù)與結

2、果參數(shù)之間的映射關系尚不明確的情況下根據(jù)結果參數(shù)確定對應的最適合的輸入?yún)?shù)。將反演算法引入至焊接熱源模型參數(shù)的確定工作，可以提高數(shù)值模擬的精度，減少工藝試驗，節(jié)約開發(fā)成本。然而反演計算的結果基于試驗結果，無法獲得未經(jīng)試驗的工藝參數(shù)條件對應的熱源模型參數(shù)，從而導致計算結果離散化。對于未經(jīng)試驗的焊接工藝參數(shù)，采用智能優(yōu)化算法能夠?qū)Ψ囱萁Y果進行擴展，并使計算結果連續(xù)化，從而能夠獲得在一定范圍內(nèi)的任意工藝參數(shù)組合所對應的熱源模型參數(shù)。經(jīng)過反演算

3、法與智能優(yōu)化算法的共同計算，能夠直接獲得不同焊接工藝參數(shù)所對應的熱源模型參數(shù)，將焊接模擬的試算工作量大大降低，并大幅提升了模擬的精度。本文采用這一方案，將多絲埋弧焊的焊縫成形參數(shù)預測誤差控制在5％以內(nèi)。
　　為進行反演算法與智能優(yōu)化算法對熱源模型參數(shù)的預測，首先進行了焊接工藝試驗。設計了一種全新的熱物理性能測量的方法，通過模式搜索法獲得了母材以及埋弧焊劑隨溫度變化的的熱導率及熱容等熱物理性能。對多絲埋弧焊的焊縫成形測量方法進行了設

4、計，并采用調(diào)整焊接工藝參數(shù)的方式，獲得了不同工藝條件下的多絲埋弧焊焊縫成形結果。焊縫成形結果采用熔寬、母材上表面2mm深度處熔寬、熔深以及余高四個參數(shù)進行描述。對送絲速度隨焊接工藝調(diào)整后的變化規(guī)律進行了測量與總結，發(fā)現(xiàn)送絲速度與焊接電流呈較好的線性關系。
　　在對目前已經(jīng)提出的熱源模型進行總結的基礎上，對現(xiàn)有的熱源模型進行了分析與改進。通過對雙橢球模型的參數(shù)敏感性測試與參數(shù)回歸，獲得了通過焊縫成形結果獲得雙橢球熱源模型參數(shù)的回歸公

5、式。在對熱源模型進行進一步的分析后，提出了一個新的面-體熱源復合模型。在這個新的復合熱源模型中，面熱源基于高斯熱源，并根據(jù)雙橢球熱源的構想，對高斯面熱源進行了改寫。針對多絲埋弧焊，對復合熱源進行了分段改寫，使其能夠在任意焊絲間距的條件下使用。此復合熱源考慮了電弧傾角對熱源的影響，以模擬在焊接過程中不同電弧傾角對焊縫成形結果的影響。
　　基于上述工作，對于常用的多絲埋弧焊焊接工藝參數(shù)采用反演算法熱源模型參數(shù)進行了研究。對于提出的面-

6、體復合熱源，討論了其參數(shù)的敏感性，并基于敏感性分析結果，對熱源模型進行了相應的簡化。根據(jù)多絲埋弧焊熱源模型的特點，采用模式搜索法作為反演算法進行由果及因的分析。針對熱源模型參數(shù)數(shù)量級差異的問題，對模式搜索法進行了改進，并采用改進后的模式搜索法獲得了不同焊接電流與電弧電壓條件下的熱源模型參數(shù)。同時，研究了在不同坡口、板厚、焊接速度、散熱條件以及筒體縱縫焊條件下等因素對焊縫成形結果帶來的影響。
　　反演算法只能獲得已經(jīng)經(jīng)過試驗的工藝條

7、件所對應的焊接熱源模型參數(shù)，為將反演算法獲得的熱源模型參數(shù)加以推廣，分別采用最小二乘法擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量回歸機對反演算法獲得的熱源模型參數(shù)進行了函數(shù)擬合。發(fā)現(xiàn)最小二乘法擬合對單絲焊的預測結果較為準確，而雙絲焊的預測結果則出現(xiàn)了較大的偏差。神經(jīng)網(wǎng)絡的預測結果與驗證試驗的結果普遍較為接近，是一種較為優(yōu)秀的參數(shù)推廣方案。支持向量回歸機由于其算法中未知參數(shù)較多，對熱源模型參數(shù)預測的結果誤差較大。利用三絲埋弧焊驗證試驗，將參數(shù)推廣獲得的熱源

8、模型參數(shù)加以驗證，發(fā)現(xiàn)參數(shù)推廣方案能夠很好的獲得多絲埋弧焊的熱源模型參數(shù)，并通過有限單元法計算獲得相應的焊縫成形結果。
　　為分析在多絲埋弧焊過程中焊劑的影響以及焊縫成形與熔池內(nèi)流動狀態(tài)，根據(jù)流體力學的基本方程，構建了埋弧焊在受到重力模型、電磁力模型、能量傳輸模型、熔化-凝固模型以及表面張力模型等控制的熔滴過渡與熔池流動模型。采用熔池流動行為模型，對三絲埋弧焊的焊縫成形進行了模擬。討論了表面張力大小、表面張力溫度系數(shù)、接觸角以及送