[發明專利]一種Invar鋼PMIG擺動焊溫度場及變形模擬方法

在審

• 申請號: 201610129675.5
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105740577A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 占小紅;陳紀城;孟遙;劉湘波;魏艷紅
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明針對大型Invar鋼厚板的溫度場及變形技術領域，具體指代一種Invar鋼厚板多層單道PMIG擺動焊溫度場及變形模擬方法。

背景技術

Invar鋼又稱殷鋼，是一種低膨脹精密合金，在電子等行業得到了相當廣泛的應用，并展現出其優異的性能，由于Invar鋼與復合材料的熱膨脹系數吻合度較高，Invar鋼用于復合材料模具制造，能夠克服因碳鋼、鋁合金等傳統模具材料與復合材料熱膨脹系數相差較大而帶來的尺寸精度差、穩定性不良等問題。

大型Invar鋼模具很難一次成形，通常采用焊接結構，主要采用的傳統焊接方法包括手工電弧焊、埋弧焊、惰性氣體保護焊等均存在一定的不足，例如變形嚴重、晶粒粗大、熔合不良、工藝繁瑣等，嚴重影響模具的焊接成形質量及生產效率。PMIG擺動焊接是指采用脈沖MIG電弧，同時將傳統厚板多層多道焊接中的貫通焊接路徑改為擺動焊接路徑。該焊接方法能夠增加焊縫熔深，有效改善Invar鋼層間熔合；凈化熔池雜質，提高接頭力學性能；多層單道填充成形，提高焊接效率。然而，將PMIG擺動焊接工藝應用于Invar鋼模具的實際生產，還有賴于反復的工藝參數探索及優化實驗，費時費力，且成本高昂。

采用數值模擬技術對焊接工藝進行數值模擬，通過合理設計工藝參數，獲取關鍵焊接結果參數，能夠科學、有效的指導Invar鋼PMIG擺動焊接工藝參數的探索與優化。

發明內容

針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種Invar鋼PMIG擺動焊溫度場及變形模擬方法，以解決現有技術中PMIG擺動焊接工藝應用于Invar鋼模具的實生產，依賴于反復的工藝參數探索及優化實驗，費時費力，且成本高昂等問題。

為達到上述目的，本發明的一種Invar鋼PMIG擺動焊溫度場及變形模擬方法，包括步驟如下：

根據Invar鋼厚板的幾何形狀建立與實際Invar鋼厚板相吻合的三維幾何模型；

對上述建立的三維幾何模型進行網格劃分；

建立Invar鋼厚板PMIG擺動焊接過程中涉及到溫度場及應力應變場的熱-機械耦合模型；

完成Invar鋼熱物理性能參數及焊接熱源擺動路徑的設定，并根據實際焊接情況加載相應的熱邊界條件和機械邊界條件，使用彈塑性有限元法求解計算上述的熱-機械耦合模型，從而得到焊接過程中Invar鋼厚板PMIG擺動焊接過程中溫度場和應力場分布以及焊件的變形情況。

優選地，上述進行Invar鋼厚板三維幾何模型建立時，對焊縫所處空間區域的層數劃分。

優選地，所述的網格劃分采用疏密網格過渡的方式：焊縫和靠近焊縫的區域采用密網格劃分，網格尺寸小；遠離焊縫的區域采用疏網格劃分，網格尺寸大，并采用了多次網格過渡。

優選地，在求解計算所述的熱-機械耦合模型時，將完成的網格劃分的Invar鋼厚板有限元模型導入相關的有限元分析軟件中，并加載相應的邊界條件，完成求解計算。

優選地，在進行Invar鋼PMIG擺動焊接的路徑設定時，有兩種形式焊接路徑，最底層的打底焊采用直通焊，即焊接過程中無擺動，填充焊和蓋面焊有擺動，擺動路徑呈鋸齒狀，同時，采用對稱焊接，即相鄰焊層的焊接方向相反，以減小焊接變形。

優選地，在對熱-機械耦合模型進行求解計算時，對多層焊縫焊接結構焊接過程的模擬采用生死單元技術進行分析。

優選地，所述邊界條件包括進行溫度場計算的熱邊界條件和進行應力應變計算的機械邊界條件。

優選地，在進行熱邊界條件加載時，使用VC++計算機編程語言設計了Invar鋼PMIG焊所需的具有脈沖特性的焊接熱源，熱源模型采用雙橢球體熱源模型，通過相關的子程序完成脈沖熱源的加載。

優選地，進行機械邊界條件加載時，除了必要的工裝固定外，在Invar鋼厚板鈍邊位置設置了相當于點焊固定的機械邊界條件，另外，由于實際焊接中焊件的工裝條件復雜，進行邊界條件加載時，將實際焊接中的裝夾簡化為Invar鋼厚板鈍邊處節點在厚度方向的位移。

本發明的有益效果：

本發明的Invar鋼PMIG擺動焊溫度場及變形模擬方法，針對Invar鋼厚板多層PMIG擺動焊接過程，建立了Invar鋼厚板溫度場及應力應變場的三維耦合模型，綜合考慮擺動弧對焊接過程的影響，通過對熱邊界條件及機械邊界條件的加載求解，獲得最為優化的焊接工藝。