一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法技術

本發明專利技術公開了一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法，所述激光熱絲焊接為對接焊，焊縫兩側的母材厚度相同，所述能量效率E

A method of measuring energy efficiency in laser hot wire welding process

The invention discloses a method for measuring the energy efficiency in a laser hot wire welding process, wherein the laser hot wire is welded by butt welding, and the base material thickness of both sides of the weld seam is the same, and the energy efficiency is E

【技術實現步驟摘要】
一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法
本專利技術涉及一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法。
技術介紹
高功率激光的應用代表了先進制造技術的發展方向，激光焊接已部分替代傳統連接技術并逐步應用于交通運輸、航空航天及核電等制造領域。激光焊接加工雖然具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高質量等突出優點，但激光焊接工藝過程對零件的加工精度和裝夾精度要求較高，且能耗高而能效低，這在一定程度上限制了激光焊接的應用。采用激光熱絲焊能在一定程度上降低對零件對接間隙的要求，提升焊接效率，但是依然存在激光焊接加工過程能耗高，能效低的問題。所以研究激光焊接工藝過程中能量的消耗和效率就變得十分有意義。當前工藝能耗的研究方法主要有基于工藝過程資源輸入輸出IPO(Input-Process-Out)方法和基于工藝試驗統計模型。采用IPO方法研究能耗，有利于對制造工藝過程的資源和能源消耗進行描述。但是該方法存在制造工藝過程被視作能量輸入輸出“黑箱”的問題，無法揭示工藝過程能量轉換本質并開展能耗降低研究。采用基于工藝試驗統計模型開展的能耗研究，則有利于探究多工藝參數與多工藝目標的關系。已有研究基于工藝試驗數據采用多響應面方法進行加工參數優化所建立工藝能效模型，能夠有效降低制造過程電耗，提高設備壽命。但是采用統計方法建立的能耗模型一般為基于實驗的經驗模型，適用范圍有限。因此，有必要尋找一種從能量轉換和傳遞的物理本質出發，適用范圍更廣的方法來研究激光焊接過程中的工藝能量效率。而本專利技術采用焊縫熔化體積比能來描述激光焊接工藝的能量效率，建立了能夠度量激光焊接工藝過程的能量效率模型，能夠有效的解決上述問題，方法簡單，模型準確性高，能夠用于研究工藝參數與能量效率之間的關系。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種度量激光熱絲焊接工藝能量效率的方法，更方便的計算和研究激光焊接工藝的能效，以提升激光熱絲焊接過程中工藝的能量效率。本專利技術的技術方案是，提供一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法，所述激光熱絲焊接為對接焊，焊縫兩側的母材厚度相同，所述能量效率由焊縫熔化體積比能Eefh表征，并按照以下表達式確定：其中，ρb為母材密度，Cpb為母材定壓比熱，Tbm為母材熔點溫度，ΔHb為母材熔化潛熱，ηbm為母材對激光的吸收率，Abw為母材在激光照射下的熔化率，ρw為焊絲密度，Cpw(T)為焊絲的定壓比熱，Twm為焊絲熔點溫度，ΔHw為焊絲熔化潛熱，ηwm為焊絲對激光的吸收率，Aww為焊絲在激光照射下的熔化率，F為熔合比，k為焊縫成形系數，d為母材的厚度，δ為焊接間隙，即焊接時兩塊焊接母材焊接部位之間的距離，vw為焊接速度，I為加熱電流，ρ0為焊絲在0K時的電阻率，α為焊絲電阻率溫度系數，T(x)為焊絲預熱溫度，D為焊絲直徑，L為送絲長度，TL為焊絲末端預熱溫度。焊絲預熱溫度T(x)主要與加熱電流I、送絲速度vf、送絲長度L、焊絲直徑D、焊絲電阻率ρre以及焊絲定壓比熱Cpw(T)等熱物理屬性有關。焊絲預熱過程中，焊絲通過電阻加熱實現預熱升溫。當焊接過程穩定時，取送絲嘴O為坐標原點建立坐標系，沿焊絲軸向分布的焊絲溫度不變。建立預熱溫度計算模型時，考慮預熱焊絲的熱輻射損失，并作以下假設：(1)焊絲材料成份均勻；(2)焊絲預熱溫度沿焊絲徑向分布均勻；(3)焊絲的熱輻射系數不隨溫度的變化而變化。如圖1，取與送絲嘴O距離x的焊絲微元段dx為分析對象。在任一時間段內，由能量守恒定律可知，電流通過焊絲產生的電阻熱dQR等于微元體的內能增量dQ和輻射熱損失dQr。其表達式為：dQR＝dQ+dQr(1)在一段時間dt內，對于微元段dx，由焦耳-楞次定律可得焊絲微元體產生的電阻熱，如公式(2)：dQR＝I2·dR·dt(2)式中：dR為焊絲微元段電阻；且A為焊絲橫截面積，ρre為焊絲電阻率，且ρre＝ρ0·(1+α·T(x))(4)其中：ρ0為焊絲0K時的電阻率，α為焊絲電阻率溫度系數。在一段時間dt內，焊絲微元體的內能增量為：dQ＝Cpw(T)·dm·dT(x)(5)式中：dm為焊絲微元段質量，Cpw(T)為焊絲的定壓比熱；且dm＝ρw·A·dx(6)Cpw(T)＝C0·(1+β·T(x))(7)其中：ρw為焊絲的密度，C0為焊絲0K時的定壓比熱，β為焊絲定壓比熱溫度系數。在一段時間dt內，微元體輻射熱損失為：dQs＝ε·σ·dA·[T(x)4-Ta4]·dt(8)其中：dA為焊絲微元段表面積；且dA＝π·D·dx(9)ε為焊絲輻射率；σ為Stefan-Boltzmann常數；Ta為焊絲初始溫度，即為室溫。并且時間t與長度x的關系滿足：其中vf為送絲速度。將式(2)-(10)代入式(1)化簡得：根據數值計算方法中的插值法，通過編程可以直接計算出上述式子(式11)的解，即焊絲預熱溫度T(x)。優選地，所述激光熱絲焊接的焊接速度是勻速的。優選地，所述母材為焊接平板。以下對本專利技術的技術方案作進一步解釋：將焊接所需要的能量E分為熔化母材所需的激光能量Elb，熔化預熱焊絲所需的激光能量Elw，預熱焊絲所需的電阻熱能Ecw三個部分。其中熔化母材所需的激光能量Elb，由于受到材料本身特性和焊接過程持續時間的影響，根據能量守恒定律，可以得到Elb的表達式為：熔化預熱焊絲所需的激光能量Elw，由于受到焊絲末端預熱溫度、焊絲本身性質、焊接過程持續的時間等因素的影響，根據能量守恒定律，可以得到Elw的表達式為：預熱焊絲所需的電阻熱能Ecw由送絲機提供。由焦耳-楞次定律得預熱焊絲所需的電阻熱能為：將焊縫熔化體積V分為母材熔化體積Vb和焊絲熔化體積Vw兩部分。即：V＝Vb+Vw根據上述的式子，建立了基于焊接加工工藝參數的工藝過程能效率模型，能夠動態的描述焊接工藝過程中能量的效率，其表達式為：與現有的焊接過程工藝能量效率計算方法相比較，本專利技術的有益效果是：本專利技術從能量轉換和傳遞的物理本質出發，建立了基于焊接加工工藝參數的工藝過程能量效率模型，該模型能夠度量焊接過程中的工藝能量效率，實用性強，對研究焊接過程中的工藝能量效率有很大的幫助。附圖說明圖1表示焊絲預熱分析示意圖；圖1中，工件也稱母材，對接間隙也稱焊接間隙；圖2表示不同焊接間隙下的焊縫熔化體積比能。具體實施方式下面結合實施例對本專利技術作進一步說明。實施例1本實施例提供一種度量激光焊接過程工藝能量效率的方法，在激光加工特別是激光對接焊中，可以用焊接所需要的能量E與焊縫熔化體積V的比值即焊縫熔化體積比能Eefh來描述激光對接焊接工藝的能量效率，如式(12)。在激光熱絲對接焊焊接過程中，熔化焊縫所需的能量主要來源于激光提供的光能以及焊絲電阻預熱的熱能，而激光光能一部分用于熔化母材，另一部分用于熔化已經預熱并送入熔池的焊絲。因此完成激光熱絲焊熔化焊縫所需的能量為：E＝Elb+Elw+Ecw(13)式中：Elb為熔化母材所需的激光能量，Elw為熔化預熱焊絲所需的激光能量，Ecw為預熱焊絲所需的電阻熱能。根據能量守恒原理，激光焊接過程中熔化母材與預熱焊絲所需的激光能量可分別由式(14)、(15)估算：式中：ρb為母材密度，Vb為母材熔化體積，Cpb為母材定壓比熱，Tbm為母材熔點溫度，ΔHb為母材熔化潛熱，ηbm為母材對激光的吸收率，Abw為母材本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法，其特征在于，所述激光熱絲焊接為對接焊，焊縫兩側的母材厚度相同，所述能量效率由焊縫熔化體積比能E

【技術特征摘要】
1.一種度量激光熱絲焊接工藝中能量效率的方法，其特征在于，所述激光熱絲焊接為對接焊，焊縫兩側的母材厚度相同，所述能量效率由焊縫熔化體積比能Eefh表示，焊縫熔化體積比能Eefh的表達式為：其中，

【專利技術屬性】
技術研發人員：韋海英，袁豐波，黃矗，張屹，
申請(專利權)人：湖南大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43