[发明专利]一种Invar钢PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法

说明书

技术领域

本发明针对大型Invar钢厚板的温度场及变形技术领域，具体指代一种Invar钢厚板多层单道PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法。

背景技术

Invar钢又称殷钢，是一种低膨胀精密合金，在电子等行业得到了相当广泛的应用，并展现出其优异的性能，由于Invar钢与复合材料的热膨胀系数吻合度较高，Invar钢用于复合材料模具制造，能够克服因碳钢、铝合金等传统模具材料与复合材料热膨胀系数相差较大而带来的尺寸精度差、稳定性不良等问题。

大型Invar钢模具很难一次成形，通常采用焊接结构，主要采用的传统焊接方法包括手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊等均存在一定的不足，例如变形严重、晶粒粗大、熔合不良、工艺繁琐等，严重影响模具的焊接成形质量及生产效率。PMIG摆动焊接是指采用脉冲MIG电弧，同时将传统厚板多层多道焊接中的贯通焊接路径改为摆动焊接路径。该焊接方法能够增加焊缝熔深，有效改善Invar钢层间熔合；净化熔池杂质，提高接头力学性能；多层单道填充成形，提高焊接效率。然而，将PMIG摆动焊接工艺应用于Invar钢模具的实际生产，还有赖于反复的工艺参数探索及优化实验，费时费力，且成本高昂。

采用数值模拟技术对焊接工艺进行数值模拟，通过合理设计工艺参数，获取关键焊接结果参数，能够科学、有效的指导Invar钢PMIG摆动焊接工艺参数的探索与优化。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Invar钢PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法，以解决现有技术中PMIG摆动焊接工艺应用于Invar钢模具的实生产，依赖于反复的工艺参数探索及优化实验，费时费力，且成本高昂等问题。

为达到上述目的，本发明的一种Invar钢PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法，包括步骤如下：

根据Invar钢厚板的几何形状建立与实际Invar钢厚板相吻合的三维几何模型；

对上述建立的三维几何模型进行网格划分；

建立Invar钢厚板PMIG摆动焊接过程中涉及到温度场及应力应变场的热-机械耦合模型；

完成Invar钢热物理性能参数及焊接热源摆动路径的设定，并根据实际焊接情况加载相应的热边界条件和机械边界条件，使用弹塑性有限元法求解计算上述的热-机械耦合模型，从而得到焊接过程中Invar钢厚板PMIG摆动焊接过程中温度场和应力场分布以及焊件的变形情况。

优选地，上述进行Invar钢厚板三维几何模型建立时，对焊缝所处空间区域的层数划分。

优选地，所述的网格划分采用疏密网格过渡的方式：焊缝和靠近焊缝的区域采用密网格划分，网格尺寸小；远离焊缝的区域采用疏网格划分，网格尺寸大，并采用了多次网格过渡。

优选地，在求解计算所述的热-机械耦合模型时，将完成的网格划分的Invar钢厚板有限元模型导入相关的有限元分析软件中，并加载相应的边界条件，完成求解计算。

优选地，在进行Invar钢PMIG摆动焊接的路径设定时，有两种形式焊接路径，最底层的打底焊采用直通焊，即焊接过程中无摆动，填充焊和盖面焊有摆动，摆动路径呈锯齿状，同时，采用对称焊接，即相邻焊层的焊接方向相反，以减小焊接变形。

优选地，在对热-机械耦合模型进行求解计算时，对多层焊缝焊接结构焊接过程的模拟采用生死单元技术进行分析。

优选地，所述边界条件包括进行温度场计算的热边界条件和进行应力应变计算的机械边界条件。

优选地，在进行热边界条件加载时，使用VC++计算机编程语言设计了Invar钢PMIG焊所需的具有脉冲特性的焊接热源，热源模型采用双椭球体热源模型，通过相关的子程序完成脉冲热源的加载。

优选地，进行机械边界条件加载时，除了必要的工装固定外，在Invar钢厚板钝边位置设置了相当于点焊固定的机械边界条件，另外，由于实际焊接中焊件的工装条件复杂，进行边界条件加载时，将实际焊接中的装夹简化为Invar钢厚板钝边处节点在厚度方向的位移。

本发明的有益效果：

本发明的Invar钢PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法，针对Invar钢厚板多层PMIG摆动焊接过程，建立了Invar钢厚板温度场及应力应变场的三维耦合模型，综合考虑摆动弧对焊接过程的影响，通过对热边界条件及机械边界条件的加载求解，获得最为优化的焊接工艺。