優化焊接電流和速度剖線降低端接焊棒材的變形

周陽

摘 要：焊接變形通常通過夾緊方法控制。側面加熱或快速冷卻可以減少一些應用的變形。除了夾緊方法，工藝參數也影響變形，所以如果可以控制焊接工藝參數，這些參數的優化剖線也可以減少變形。本文中介紹可以采用優化的焊接電流和移動速度剖線來減少變形。

關鍵詞：焊接變形；工藝參數；控制

中圖分類號：TG404 文獻標志碼：A

焊接工藝的瞬時溫度場驅動局部熱膨脹-收縮。由于此熱膨脹-收縮產生的應變與結構和夾具限制造成應力和塑性變形，導致殘余應力和變形。這種變形會增加制造成本，降低主體的使用壽命。因此，技術人員希望通過減少變形來弱化其造成的不利影響。

焊接變形通常采用各種方法控制，例如優化的定位焊，序列模式，預彎曲，拉伸載荷。如果是優化的，側面加熱或快速冷卻有時候也有效。Schenketal進行了自適應夾緊，作為一種在線技術，強迫材料局部塑性變形降低焊接變形。

從控制角度看，我們有一個大的不定常矢量Q的控制問題，它描述時間t我的狀態矢量空間。狀態矢量空間由計算焊接力學（CWM）分析控制，它為我們的FEM模型，在本分析中，Q的矢量包括3個部分的節點位移，矢量u包括焊接電流和速度。因此，m和n為29.040（3×9680，即節點總數）和2。

我們也定義了標量值函數?，稱為目標函數，將優化。目標函數是零件的最低最大變形。?為狀態Q和控制矢量u的函數。狀態Q為控制矢量u的函數，因此，函數?只取決于u。

所有優化方法想回答的問題是目標函數?是如何隨著控制矢量u的變化而變化。優化算法通常不依賴評定目標函數所需的設備進行描述。

從控制空間至狀態矢量空間的映象，即CWM分析，在焊接優化問題中起著關鍵的作用。如果此分析能力在可行的時間以可行的成本解決問題，優化容易。控制空間一套點以矩陣的形式定義，每行定義設計空間一個點，每列定義控制空間的一個坐標或變量。矩陣與試驗設計（DOE）相似。然而分析是采用確定性模型，除了截斷誤差和精度，解決方法無確定性。

1 計算模型

全計算模型包括熱和應力分析采用VrWeld軟件分析。棒材計算焊接力學（CWM）模型將瞬態溫度、應變和偏移與試驗數據進行比較并驗證。材料為AL5052-H32合金，化學成份為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%。采用氣體保護金屬極電弧焊來焊接試件，初始焊接參數為電流260A，電壓23V，行程速度7.1mm/s， 焊料AL-4043， 焊絲直徑1.6mm，保護氣體為氬。由于這是一個控制的問題，焊接時，焊接電流和速度值沿著棒材端面焊接路徑調整，為了保持每個焊縫單位長度功率與初始值相同，焊接電流和速度值變化比保持不變。焊接電流和速度受最大和最小限值限制。焊接完成后，允許試件冷卻至環境溫度。

2 熱分析

焊接時，移動局部高密度動力源，在焊池、熱影響區（HAZ）及焊縫周圍中產生鮮明的熱剖線。使顯微結構、應力和應變狀態產生部分變形，對整體結構有很大影響。通過求解拉朗格或材料成份能量守恒偏微分方程式確定3D瞬態溫度。

H為比焓，上劃點表示時間導數，k為導熱率，T為溫度，Q為每單位容積或功率密度分布功率。由于熱源是移動的，我們可以定義歐拉結構，起點在熱源中心。當分析接近穩態時，采用歐拉結構可以獲得焊接的較長時間。但是歐拉結構在FEM公式中引入平流項。

項為非線性，難求角。Gu在歐拉結構中采用了焊接模型。這基本上是一個在空間內固定的歐拉網格，與弧關聯，零件在弧下移動。CWM分析通常采用建模材料結構，作為系列點焊步驟，熱源以離散時間移動。瞬態熱公式可以通過標準拉格朗日有限元方法求解。每個時間步沿著流線跟蹤，繪制歐拉熱場到材料網格圖。由于元素在向前時間步會產生變形，沿著流線從最后時間步和尾跡開始可以采用半拉格朗日算法來更新狀態。

對流邊界條件在所有外表面產生邊界流q[w/m2]。該流采用計算，環境溫度為T環境=300°K，對流系數為溫度函數，從20中試驗數據插值（單位為w/m2K）獲得。

選擇焊接過程中時間步長，這樣熱源沿著每個時間步的焊路移動一個延長元素。沿著焊路延長的元素數為114， 焊接時分析有114時間步，加上冷卻45時間步。焊弧沿著焊路移動，即焊接時FEM域在每時間步長都改變。焊層完成后，時間步長以每時間步1.2系數增加，直到達到最大用戶定義的冷卻時間，停止分析。當分析停止時，在冷卻結束后，冷卻時間為3600s，最大溫度達到334°k。

3 應力分析

應力分析為準靜態，因為慣性力或動力不足，可以忽略不計。因此，在每瞬間，域為靜態平衡。然而，溫度為不定常，因此熱膨脹產生的熱應變不定常。如果顯微結構演變包括在模型中，那么顯微結構為不定常。當相改變時，相的比容V，或濃度p改變。時間步的增量容積應變張量為IΔV/V。在本文中，不包括顯微結構演變，應力分析采用熱分析的不定常熱應變。

采用J.C Simo和他的同事開發的理論和算法求解偏微分公式相關系統的黏—熱—彈塑性應力-應變關系。在每個時間步中，假設黏—塑變形梯度為零，黏—熱—彈塑性應力應變算法由計算試驗彈應力開始。如果偏應力狀態超出變形阻力，它與屈服應力相似，應力按黏度控制的速率朝著變形電阻松馳。應力松馳伴隨粘塑性應變的增量。牛頓-拉普松迭代法中，粘-彈塑性張量Dvp重新計算。

4 優化算法

控制參數為焊接電流和移動速度。每單位長度功率限制為固定的，等于初始值，即1172kW/m。此限制條件也限制了焊接電流和速度的變量。因此獨立控制矢量可以是焊接電流或移動速度。本文中，控制電流，調整移動速度，使每單位長度功率等于1172 kW/m。

帶114個延長元件的焊路分為19個子路，每一個有6個延長的元素。說明在焊接時控制算法每6個時間步應用一次。每6個元件選取的唯一原因是節省CPU時間和用戶時間。開發自動框架實施用戶任務，顯著節省分析時間。自動化使在每一時間步實施控制問題。

控制算法概述如下：

（1）從最后的子路的最后時間步讀出焊接電流I，移動速度S。

（2）干擾焊接電流I±a%，調整S，保持每單位長度功率不變。

（3）采用3個焊接電流數值：I-a%I， I， I+ a%I，每一個調整S，對下一個子路進行FEM分析。

（4）對上一步的3個分析結果，評定用戶定義的目標函數，找出最佳構型。

（5）采用上一步的I，S，連續分析下一個子路。

（6）在子路結束后重復，直到焊路結束。

每個時間步移動距離為一個元素，即每時間步10.7mm。把時間步換算成移動距離，降低棒材最終變形的最佳焊接電流剖線。由于保持每單位長度功率受限制，焊接速度的變化率應與焊接電流相同，保持每單位長度功率不變。

結論

開發自動框架，使控制算法與計算焊接力學綜合對在實際工業問題中應用起著關鍵的作用。為了降低焊接中的最終偏離，在本文中開發并采用了焊接電流和速度自適應控制的控制算法。盡管本文中分析的棒材相對結構簡單，控制算法直接適用于任何焊接結構。

參考文獻

[1]柏斯特.優化焊接電流和速度剖線 ASME2012壓力容器和管路會議出版物，2012（7）：56-58.

[2]瑪雅阿薩迪.焊接變形方法和焊件建模應用，2009（7）：21-23.