| 标题 | 优化焊接电流和速度剖线降低端接焊棒材的变形 |
| 范文 | 周阳 摘 要：焊接变形通常通过夹紧方法控制。侧面加热或快速冷却可以减少一些应用的变形。除了夹紧方法，工艺参数也影响变形，所以如果可以控制焊接工艺参数，这些参数的优化剖线也可以减少变形。本文中介绍可以采用优化的焊接电流和移动速度剖线来减少变形。 关键词：焊接变形；工艺参数；控制 中图分类号：TG404 文献标志码：A 焊接工艺的瞬时温度场驱动局部热膨胀-收缩。由于此热膨胀-收缩产生的应变与结构和夹具限制造成应力和塑性变形，导致残余应力和变形。这种变形会增加制造成本，降低主体的使用寿命。因此，技术人员希望通过减少变形来弱化其造成的不利影响。 焊接变形通常采用各种方法控制，例如優化的定位焊，序列模式，预弯曲，拉伸载荷。如果是优化的，侧面加热或快速冷却有时候也有效。Schenketal进行了自适应夹紧，作为一种在线技术，强迫材料局部塑性变形降低焊接变形。 从控制角度看，我们有一个大的不定常矢量Q的控制问题，它描述时间t我的状态矢量空间。状态矢量空间由计算焊接力学（CWM）分析控制，它为我们的FEM模型，在本分析中，Q的矢量包括3个部分的节点位移，矢量u包括焊接电流和速度。因此，m和n为29.040（3×9680，即节点总数）和2。 我们也定义了标量值函数?，称为目标函数，将优化。目标函数是零件的最低最大变形。?为状态Q和控制矢量u的函数。状态Q为控制矢量u的函数，因此，函数?只取决于u。 所有优化方法想回答的问题是目标函数?是如何随着控制矢量u的变化而变化。优化算法通常不依赖评定目标函数所需的设备进行描述。 从控制空间至状态矢量空间的映象，即CWM分析，在焊接优化问题中起着关键的作用。如果此分析能力在可行的时间以可行的成本解决问题，优化容易。控制空间一套点以矩阵的形式定义，每行定义设计空间一个点，每列定义控制空间的一个坐标或变量。矩阵与试验设计（DOE）相似。然而分析是采用确定性模型，除了截断误差和精度，解决方法无确定性。 1 计算模型 全计算模型包括热和应力分析采用VrWeld软件分析。棒材计算焊接力学（CWM）模型将瞬态温度、应变和偏移与试验数据进行比较并验证。材料为AL5052-H32合金，化学成份为AL96.7， Mg2.5， Cr0.25， Cu最大0.1，Fe最大0.4，Mn最大0.1，Si最大0.25， Zn最大0.1，重量%。采用气体保护金属极电弧焊来焊接试件，初始焊接参数为电流260A，电压23V，行程速度7.1mm/s， 焊料AL-4043， 焊丝直径1.6mm，保护气体为氩。由于这是一个控制的问题，焊接时，焊接电流和速度值沿着棒材端面焊接路径调整，为了保持每个焊缝单位长度功率与初始值相同，焊接电流和速度值变化比保持不变。焊接电流和速度受最大和最小限值限制。焊接完成后，允许试件冷却至环境温度。 2 热分析 焊接时，移动局部高密度动力源，在焊池、热影响区（HAZ）及焊缝周围中产生鲜明的热剖线。使显微结构、应力和应变状态产生部分变形，对整体结构有很大影响。通过求解拉朗格或材料成份能量守恒偏微分方程式确定3D瞬态温度。 H为比焓，上划点表示时间导数，k为导热率，T为温度，Q为每单位容积或功率密度分布功率。由于热源是移动的，我们可以定义欧拉结构，起点在热源中心。当分析接近稳态时，采用欧拉结构可以获得焊接的较长时间。但是欧拉结构在FEM公式中引入平流项。 项为非线性，难求角。Gu在欧拉结构中采用了焊接模型。这基本上是一个在空间内固定的欧拉网格，与弧关联，零件在弧下移动。CWM分析通常采用建模材料结构，作为系列点焊步骤，热源以离散时间移动。瞬态热公式可以通过标准拉格朗日有限元方法求解。每个时间步沿着流线跟踪，绘制欧拉热场到材料网格图。由于元素在向前时间步会产生变形，沿着流线从最后时间步和尾迹开始可以采用半拉格朗日算法来更新状态。 对流边界条件在所有外表面产生边界流q[w/m2]。该流采用计算，环境温度为T环境=300°K，对流系数为温度函数，从20中试验数据插值（单位为w/m2K）获得。 选择焊接过程中时间步长，这样热源沿着每个时间步的焊路移动一个延长元素。沿着焊路延长的元素数为114， 焊接时分析有114时间步，加上冷却45时间步。焊弧沿着焊路移动，即焊接时FEM域在每时间步长都改变。焊层完成后，时间步长以每时间步1.2系数增加，直到达到最大用户定义的冷却时间，停止分析。当分析停止时，在冷却结束后，冷却时间为3600s，最大温度达到334°k。 3 应力分析 应力分析为准静态，因为惯性力或动力不足，可以忽略不计。因此，在每瞬间，域为静态平衡。然而，温度为不定常，因此热膨胀产生的热应变不定常。如果显微结构演变包括在模型中，那么显微结构为不定常。当相改变时，相的比容V，或浓度p改变。时间步的增量容积应变张量为IΔV/V。在本文中，不包括显微结构演变，应力分析采用热分析的不定常热应变。 采用J.C Simo和他的同事开发的理论和算法求解偏微分公式相关系统的黏—热—弹塑性应力-应变关系。在每个时间步中，假设黏—塑变形梯度为零，黏—热—弹塑性应力应变算法由计算试验弹应力开始。如果偏应力状态超出变形阻力，它与屈服应力相似，应力按黏度控制的速率朝着变形电阻松驰。应力松驰伴随粘塑性应变的增量。牛顿-拉普松迭代法中，粘-弹塑性张量Dvp重新计算。 4 优化算法 控制参数为焊接电流和移动速度。每单位长度功率限制为固定的，等于初始值，即1172kW/m。此限制条件也限制了焊接电流和速度的变量。因此独立控制矢量可以是焊接电流或移动速度。本文中，控制电流，调整移动速度，使每单位长度功率等于1172 kW/m。 带114个延长元件的焊路分为19个子路，每一个有6个延长的元素。说明在焊接时控制算法每6个时间步应用一次。每6个元件选取的唯一原因是节省CPU时间和用户时间。开发自动框架实施用户任务，显著节省分析时间。自动化使在每一时间步实施控制问题。 控制算法概述如下： （1）从最后的子路的最后时间步读出焊接电流I，移动速度S。 （2）干扰焊接电流I±a%，调整S，保持每单位长度功率不变。 （3）采用3个焊接电流数值：I-a%I， I， I+ a%I，每一个调整S，对下一个子路进行FEM分析。 （4）对上一步的3个分析结果，评定用户定义的目标函数，找出最佳构型。 （5）采用上一步的I，S，连续分析下一个子路。 （6）在子路结束后重复，直到焊路结束。 每个时间步移动距离为一个元素，即每时间步10.7mm。把时间步换算成移动距离，降低棒材最终变形的最佳焊接电流剖线。由于保持每单位长度功率受限制，焊接速度的变化率应与焊接电流相同，保持每单位长度功率不变。 结论 开发自动框架，使控制算法与计算焊接力学综合对在实际工业问题中应用起着关键的作用。为了降低焊接中的最终偏离，在本文中开发并采用了焊接电流和速度自适应控制的控制算法。尽管本文中分析的棒材相对结构简单，控制算法直接适用于任何焊接结构。 参考文献 [1]柏斯特.优化焊接电流和速度剖线 ASME2012压力容器和管路会议出版物，2012（7）：56-58. [2]玛雅阿萨迪.焊接变形方法和焊件建模应用，2009（7）：21-23. |
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