[发明专利]一种自动优化电弧焊工艺参数的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地说是一种利用焊接条件下的连续冷却组织转变图，优化电弧焊工艺中预热温度、焊接电压、焊接电流和焊接速度等参数的方法及其装置。 

背景技术

随着现代科技的发展和各种新型材料的不断开发，焊接技术已广泛应用于石油化工、电力、航天航空、海洋工程、核动力工程、桥梁、船舶以及各种金属结构等工业部门，而电弧焊以电弧热作为焊接热源，是焊接技术应用最为广泛的一种。长期以来，为了得到理想的焊接组织，从而确保焊接件的性能，电弧焊工艺参数的优化主要通过实物试验来探索确定，这必将耗费大量的人力、物力和时间，并且因为电弧焊工艺过程中各个环节存在的人为因素，将或多或少的影响到电弧焊工艺参数优化的精度。 

利用焊接条件下的冷却组织转变图（CCT图）可以比较方便的预测焊缝和焊接热影响区的组织和性能。因此，许多国家都十分重视这项工作，常在新钢种投产之前就测定出该钢种的CCT图，从而比较方便的查出在一定的焊接工艺条件下焊缝和焊接热影响区的组织和性能。在实际生产过程中，由于温度极高，对焊缝及热影响区组织变化的观察和测试几乎是不可能的，但借助于计算机模拟技术，模拟一定的焊接工艺条件，就可以方便地预测出焊缝和焊接热影响区的组织和性能；反之，通过预先确定焊缝和焊接热影响区的组织和性能，反推实现该结果的焊接工艺条件，就可以实现焊接工艺参数的优化，但该技术目前国内外还未见报道。 

最新的检索工作表明，中国航天科技集团公司长征机械厂“铝合金熔焊焊接过程中的在线检测与工艺参数的优化方法”（专利申请号200710049788.5）通过视觉传感器在线实时监测的坡口几何尺寸及间隙信息并将其转为电信号，通过图像采集卡再转为图像信息后传输到工控机，工控机对图像信息处理后输出控制信号，实现焊接工艺参数的优化。江苏大学“激光焊接的焊缝/热影响区形状及其晶粒尺寸预测方法”（专利申请号200910232281.2）通过模拟激光焊接不同工艺参数下的三维温度场动态模型，结合焊接母材的基本信息，预测数不同的焊缝/热影响区形状及其晶粒尺寸，并以此来实现激光焊接工艺参数的优化。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：根据焊接传热理论，利用计算机技术，模拟不同工艺参数下电弧焊的焊接热循环曲线，与焊接母材的连续冷却组织转变图进行叠加，预测相应的焊缝及热影响区的组织，直至符合要求为止，从而自动实现电弧焊工艺参数的优化，大大减少了得到优良焊缝组织的实物试验次数。 

本发明所说的自动优化电弧焊工艺参数的方法包括以下步骤： 

（1）首先建立各类焊接母材的连续冷却组织转变图的图库，根据不同的焊接母材建立优化的电弧焊工艺参数的数据库，优化后的电弧焊工艺参数包括焊接板的钢种及其成分、熔点、待焊板材的尺寸规格、焊接电压U、焊接电流I、焊接速度v、线能量、焊件的初始温度T、焊接母材的焊缝和焊接热影响区应具有的组织和性能，该数据库最初可以为空； 

（2）在遇到一焊接母材时，设定该焊接母材的焊缝和焊接热影响区应具有的组织和性能，检索数据库中的相关数据，如有，则直接调取，优化到此结束；如没有，则进入下一步；

（3）设定电弧焊工艺参数，包括焊接电压U、焊接电流I、焊接速度v、焊件的初始温度T，根据电弧焊工艺参数计算临界板厚 ，若焊件厚度h＞临界板厚,则视为厚板焊件；若焊件厚度h≤临界板厚，则视为薄板焊件。

其中，区分厚板焊件与薄板焊件的依据是“临界板厚”，由以下计算公式推导而来： 

c---比热容；[]

---密度；[]

（4）模拟电弧焊的焊接热循环曲线模型。

本发明模拟的电弧焊的焊接热循环曲线模型如下： 

对于厚板焊件，焊接热源可视为点热源：

t 8/5=

对于薄板焊件，焊接热源可视为线热源：

t 8/5=

其中，U---焊接电压；（v）

      I---焊接电流；（A）

      v---焊接速度；（cm/s）

      ---导热系数；[]

---热扩散率，（）

h---板厚；（㎝）

t---热源到达所求点所在截面后的传热时间；（s）

t 8/5——焊接熔池的温度从800度降到500度的时间；（s）

T---焊件的初始温度（）

——薄板焊件上某点距热源运行轴线的垂直距离（mm）