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(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)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(yàn)及時(shí)間限制，容易引入人為誤差，很難保證熱源模型的精度，同時(shí)在另一方面又增加了開發(fā)成本。為此，急需設(shè)計(jì)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(jì)算作為一種“由果及因”的算法，能夠在輸入?yún)?shù)與結(jié)

2、果參數(shù)之間的映射關(guān)系尚不明確的情況下根據(jù)結(jié)果參數(shù)確定對(duì)應(yīng)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(yàn)，節(jié)約開發(fā)成本。然而反演計(jì)算的結(jié)果基于試驗(yàn)結(jié)果，無法獲得未經(jīng)試驗(yàn)的工藝參數(shù)條件對(duì)應(yīng)的熱源模型參數(shù)，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果離散化。對(duì)于未經(jīng)試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)，采用智能優(yōu)化算法能夠?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行擴(kuò)展，并使計(jì)算結(jié)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(duì)應(yīng)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(jì)算，能夠直接獲得不同焊接工藝參數(shù)所對(duì)應(yīng)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(yù)測(cè)誤差控制在5％以內(nèi)。
　　為進(jìn)行反演算法與智能優(yōu)化算法對(duì)熱源模型參數(shù)的預(yù)測(cè)，首先進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一種全新的熱物理性能測(cè)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(dǎo)率及熱容等熱物理性能。對(duì)多絲埋弧焊的焊縫成形測(cè)量方法進(jìn)行了設(shè)

4、計(jì)，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(jié)果。焊縫成形結(jié)果采用熔寬、母材上表面2mm深度處熔寬、熔深以及余高四個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述。對(duì)送絲速度隨焊接工藝調(diào)整后的變化規(guī)律進(jìn)行了測(cè)量與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)送絲速度與焊接電流呈較好的線性關(guān)系。
　　在對(duì)目前已經(jīng)提出的熱源模型進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的熱源模型進(jìn)行了分析與改進(jìn)。通過對(duì)雙橢球模型的參數(shù)敏感性測(cè)試與參數(shù)回歸，獲得了通過焊縫成形結(jié)果獲得雙橢球熱源模型參數(shù)的回歸公

5、式。在對(duì)熱源模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析后，提出了一個(gè)新的面-體熱源復(fù)合模型。在這個(gè)新的復(fù)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(gòu)想，對(duì)高斯面熱源進(jìn)行了改寫。針對(duì)多絲埋弧焊，對(duì)復(fù)合熱源進(jìn)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(fù)合熱源考慮了電弧傾角對(duì)熱源的影響，以模擬在焊接過程中不同電弧傾角對(duì)焊縫成形結(jié)果的影響。
　　基于上述工作，對(duì)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(jìn)行了研究。對(duì)于提出的面-

6、體復(fù)合熱源，討論了其參數(shù)的敏感性，并基于敏感性分析結(jié)果，對(duì)熱源模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。根據(jù)多絲埋弧焊熱源模型的特點(diǎn)，采用模式搜索法作為反演算法進(jìn)行由果及因的分析。針對(duì)熱源模型參數(shù)數(shù)量級(jí)差異的問題，對(duì)模式搜索法進(jìn)行了改進(jìn)，并采用改進(jìn)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(shí)，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(duì)焊縫成形結(jié)果帶來的影響。
　　反演算法只能獲得已經(jīng)經(jīng)過試驗(yàn)的工藝條

7、件所對(duì)應(yīng)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(luò)、支持向量回歸機(jī)對(duì)反演算法獲得的熱源模型參數(shù)進(jìn)行了函數(shù)擬合。發(fā)現(xiàn)最小二乘法擬合對(duì)單絲焊的預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，而雙絲焊的預(yù)測(cè)結(jié)果則出現(xiàn)了較大的偏差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)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(jī)由于其算法中未知參數(shù)較多，對(duì)熱源模型參數(shù)預(yù)測(cè)的結(jié)果誤差較大。利用三絲埋弧焊驗(yàn)證試驗(yàn)，將參數(shù)推廣獲得的熱源

8、模型參數(shù)加以驗(yàn)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(jì)算獲得相應(yīng)的焊縫成形結(jié)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(dòng)狀態(tài)，根據(jù)流體力學(xué)的基本方程，構(gòu)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(dòng)模型。采用熔池流動(dòng)行為模型，對(duì)三絲埋弧焊的焊縫成形進(jìn)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