基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于数值模拟仿真电弧堆焊工艺参数优化方法，首先基于现有堆焊生产工艺参数，获取堆焊数据；然后以实测数据为依据建立堆焊过程热力耦合有限元模型，设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件与边界条件；接着建立堆焊热源方程，开展热源模型校核；进而基于工艺参数设计调整模型和热源参数，展开模拟计算；最后通过对比分析工艺参数调整前后的温度场、残余应力及塑性变形分布，评估工艺参数调整的可行性。本发明专利技术通过对电弧堆焊过程中的温度场、残余应力以及塑性变形分布进行分析，为实际生产过程中堆焊工艺参数的优化提供技术基础，以实现在保证堆焊质量的前提条件下，提高堆焊生产效率。提高堆焊生产效率。提高堆焊生产效率。

【技术实现步骤摘要】
基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法


[0001]本专利技术涉及焊接数值模拟技术，具体涉及一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法。

技术介绍

[0002]电弧堆焊是利用焊接方法，将金属材料熔覆在工件表面，以实现工件表面某种性能提升的一种表面改性方法。该方法兼具设备及工艺简单、经济性好、效率高、使用灵活等特点，被广泛应用于各领域工业部门零件的表面防护、制造及修复。在电弧堆焊生产过程中，通过调整堆焊工艺参数，降低堆焊层中母材的稀释率，同时在相对较快的堆焊速度条件下获得可观的堆焊层宽度及厚度，是有效发挥堆焊工艺方法的主要手段。其中，母材的稀释率决定堆焊层质量，与熔深联系紧密。单位时间获得的堆焊层宽度及厚度与堆焊效率息息相关。
[0003]然而，通过工艺试验优化堆焊工艺参数是一种繁琐的工作，同时需要耗费大量时间及人力物力试验成本。若能根据已有堆焊工艺参数，借助计算机数值模拟技术，通过对堆焊过程建立物理模型，并进行数值模拟计算，通过对比分析工艺参数调整前后的熔深、堆焊层的宽度、高度、残余应力及变形等，进而评价工艺参数调整的可行性，即是否可在保证焊缝质量的同时提高堆焊生产效率，相关方法不仅省时省力，也能大幅降低工艺优化的成本，缩短工艺开发时间，具有重要意义。
[0004]海洋油气钻采管道及阀门等零部件多选用AISI 4130合金钢材料，并采用热丝TIG堆焊Inconel 625镍基合金层作为内衬以满足其防腐耐蚀的使用要求。郭龙龙等在《脉冲TIG堆焊Inconel 625工艺及堆焊层组织性能研究》中采用计算机模拟和工艺试验相结合的方法对Inconel 625合金的TIG堆焊工艺参数优化进行了研究。结果表明，当送丝速度恒定时，降低堆焊速度，能有效提高单道堆焊层厚度，从而提高堆焊效率。同时，堆焊速度对稀释率的影响相对电流的影响更小，更容易实现调控。然而，若单纯降低焊接速度，会导致热输入增加，母材稀释率提高，从而影响产品质量。
[0005]因此，需要协同调整其它工艺参数，但是相关方法和研究主要集中于堆焊工艺试验，工作量大，效率低，对于简化工艺优化的方案鲜有涉及。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，利用计算机对电弧堆焊过程进行模拟计算、预测和评估，获取关键指标参数(熔深、堆焊层的宽度、高度、残余应力及变形等)，评价工艺参数改进的可行性。
[0007]技术方案：本专利技术的一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，利用计算机仿真模拟来获取熔池参数(例如熔宽和熔深等)，基于熔池参数估测稀释率，进而评价工艺参数，具体包括以下步骤：
[0008]步骤一、基于现有堆焊生产工艺参数，获取用于模型建立及热源校核的堆焊数据，包括堆焊层宽度W0、熔覆层高度H0、熔深h0以及峰值温度T0；例如通过热电偶测量母材表面离焊趾1mm处的峰值温度T0，通过金相法获取熔池形貌及参数(堆焊层高度H0、宽度W0、熔深h0)；
[0009]步骤二、建立堆焊过程热力耦合有限元模型
[0010]先应用有限元软件建立堆焊模型，采用温度
‑
位移耦合六面体单元(C3D8T)对堆焊模型进行网格划分，在焊缝附近细分网格；然后设置金属材料随温度变化的物理性能参数，包括金属在不同温度下的密度、弹性模量、屈服强度、泊松比、热传导率、热膨胀系数、比热容等；
[0011]步骤三、设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件、温度边界条件和结构边界条件；设置温度边界条件包括设置焊接环境温度为室温，设置边界换热条件参数，即对流散热及辐射散热系数；设堆焊模型的所有外壁面均为热交换面；结构边界条件是指根据实际生产装夹情况对焊件进行装夹约束，若是平板堆焊可对8个顶点分别约束X、Y、Z方向平动自由度，令金属板模型可自由变形而不发生刚体移动；
[0012]步骤四、建立堆焊热源方程
[0013]建立双椭球型的热源模型，该热源模型的前半部分、后半部分均是是1/2的椭球，前半部分椭球体热源、后半部分椭球体热源分布分别为：
[0014][0015][0016]其中，Q为堆焊过程的线能量密度，表达式为Q＝UI/v，U为堆焊电压，I为堆焊电流，v为堆焊速度，η为焊接热效率；f
f
及f
b
分别为双椭球前半球及后半球的能量分布系数，f
f
+f
b
＝2；a，b，c
f
及c
b
为热源形状参数，其中a是热源的半宽，b为热源半高，c
f
和c
b
分别是热源前、后半球的长度；
[0017]步骤五、热源模型校核
[0018]首先，初选热源形状参数来调用堆焊热源方程，用于堆焊热力耦合有限元分析模型对焊接过程进行数值模拟；然后基于调取的计算结果来获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图，最终获得热源参数与堆焊层尺寸比例关系：
[0019]a
n
＝k
a
W0/2,b
n
＝k
b
H0,η＝η
n
；
[0020]其中n表示第n次校核，k
a
和k
b
分别为第n次校核所用热源模型参数a
n
及b
n
与堆焊层半宽W0/2及堆焊层高度H0的比例关系；
[0021]步骤六、工艺参数设计及模型参数调整
[0022]基于实际生产所用工艺参数设计优化的堆焊工艺参数(送丝速度不变，线能量密度范围控制在
±
20％)，并根据优化的工艺参数调整堆焊有限元模型及热源模型；
[0023]有限元模型中堆焊层宽度W及高度H依据如下堆焊层尺寸经验公式调整：
[0024][0025][0026]W0、H0、v0、P0分别为工艺参数优化前堆焊层宽度、高度、焊接速度及功率，P0＝U0I0，Δv为速度变化(含符号)，ΔP为功率变化(含符号)；
[0027]上述热源模型参数则根据步骤五校核所得热源参数与堆焊层尺寸比例关系套用于新模型(即a＝k
a
W/2，b＝k
b
H，η＝η
n
，n表示第n次校核结果)；
[0028]步骤七、堆焊温度场及应力场计算，即采用调整好的堆焊有限元模型及热源模型，在优化的堆焊工艺参数条件下进行数值模拟计算；
[0029]步骤八、结果分析及参数评价
[0030]调取计算结果，获取堆焊层截面温度场分布图，设置熔点为温度上限，观察焊缝熔化区形貌，测量熔宽、熔深，结合堆焊层高度，对堆焊效率及稀释率进行评价；接着获取堆焊层整体残余应力分布及中心截面的残余应力分布及塑性变形分布，对比工艺参数调整前后的上述参数，对工艺参数调整的可行性进行评价。
[0031]进一步地，所述步骤五热源模型校核的详细内容为：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟仿真的电弧堆焊工艺参数优化方法，其特征在于，先利用计算机仿真模拟来获取熔池参数，然后基于熔池参数计算稀释率，进而评价工艺参数，具体包括以下步骤：步骤一、基于现有堆焊生产工艺参数，获取用于模型建立及热源校核的堆焊数据，包括堆焊层宽度W0、熔覆层高度H0、熔深h0以及峰值温度T0；步骤二、建立堆焊过程热力耦合有限元模型先应用有限元软件建立堆焊模型，采用温度
‑
位移耦合六面体单元C3D8T对堆焊模型，进行网格划分，在焊缝附近细分网格；然后设置金属材料随温度变化的物理性能参数，包括金属在不同温度下的密度、弹性模量、屈服强度、泊松比、热传导率、热膨胀系数和比热容；步骤三、设置堆焊过程的热力耦合有限元分析模型的初始条件、温度边界条件和结构边界条件；设置温度边界条件包括设置焊接环境温度为室温，设置边界换热条件参数，即对流散热及辐射散热系数；设堆焊模型的所有外壁面均为热交换面；结构边界条件是指根据实际生产装夹情况对焊件进行装夹约束，若是平板堆焊则对8个顶点分别约束X、Y、Z方向平动自由度，令金属板模型可自由变形而不发生刚体移动；步骤四、建立堆焊热源方程建立双椭球型的热源模型，该热源模型的前半部分、后半部分均是是1/2的椭球，前半部分椭球体热源、后半部分椭球体热源分布分别为：后半部分椭球体热源分布分别为：其中，Q为堆焊过程的线能量密度，Q＝UI/v，U为堆焊电压，I为堆焊电流，v为堆焊速度，η为焊接热效率；f
f
及f
b
分别为双椭球前半球及后半球的能量分布系数，f
f
+f
b
＝2；a，b，c
f
及c
b
为热源形状参数，a是热源的半宽，b为热源半高，c
f
和c
b
分别是热源前、后半球的长度；步骤五、热源模型校核首先，初选热源形状参数来调用堆焊热源方程，用于堆焊热力耦合有限元分析模型对焊接过程进行数值模拟；然后基于调取的计算结果来获取堆焊层表面温度场及截面温度场分布图，最终获得热源参数与堆焊层尺寸比例关系：a
n
＝k
a
W0/2,b
n
＝k
b
H0,η＝η
n
；其中n表示第n次校核，k
a
和k
b
分别为第n次校核所用热源模型参数a
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈成，李明，詹良斌，邹利明，郭旭红，
申请(专利权)人：苏州道森钻采设备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：