基于变速GTAW焊接温度场解析模型的熔深预测研究

摘要

焊接热过程解析模型是一种能够直观反映焊接过程中工件内部的热行为、明确焊接工艺参数与熔池形貌间的物理关系、快速计算得到熔深的方法．目前常用的焊接温度场解析模型通常将电弧近似为一个功率恒定的匀速运动热源进行计算，而非参考实际焊接过程，即通过实时调整焊接热输入(焊接电流或焊接速度)来保证熔透．因此，目前的焊接温度场解析模型并不适用于焊接熔透控制．为了使解析模型能够计算时变速度下的熔深，本文针对钨极氩弧焊(GTAW)工艺建立了适用于计算时变焊接速度的焊接温度场解析模型．首先以匀速移动点热源的温度场解析模型为基础，推导出了时变焊接速度移动点热源在热源作用时间内引起的温度变化公式，通过连续性证明验证了公式的连续可积性并进一步推导出了适用于时变焊接速度运动单椭球热源的焊接温度场解析模型．为了提高计算速度，减少计算量，采用坐标变化方法实现了热源及其附近温度场的快速求解．基于数值积分法得到了解析模型求解方法，实现了熔池温度场的准确计算，并通过提取等温线实现了熔深和熔宽的预测．最后，通过工艺试验验证了解析模型的精度．结果表明：在0～4 s阶段，计算熔深基本与实际测得的熔深相同，误差控制在6%以内；在速度发生改变的4～16 s阶段，由于热源系数不再适用，计算误差增大，但熔深计算误差仍控制在17%以内，熔宽计算误差在12%以内．因此，建立的焊接温度场解析模型基本可以满足时变速度下的熔深预测．

关键词

钨极氩弧焊 / 解析计算 / 焊接温度场 / 熔深预测

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52005366); 天津市自然科学基金资助项目(21JCQNJC00570); 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开放课题研究基金资助项目(AWJ-21M12)