專利名稱：一種電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀因子的建模與求解方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種基于高能束流焊接接頭力學(xué)性能的熔凝區(qū)形狀因子模型的求解方法，適用于各種金屬材料的電子束焊接技術(shù)。

背景技術(shù)：
目前，關(guān)于高能束流焊接焊縫形貌及形狀特征的研究現(xiàn)狀包括(1)簡單數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法再現(xiàn)焊縫形貌輪廓。如國內(nèi)陳繼民等開發(fā)的焊縫截面形狀圖象的軟件，可擬合焊縫的輪廓曲線，并給出擬合曲線的方程(陳繼民，肖榮詩，左鐵釧.焊縫截面形狀曲線擬合的處理技術(shù)[J].工程設(shè)計CAD與智能建筑，1999，535～37)。(2)數(shù)值計算預(yù)測焊縫形貌。唐鐵馴，姜興渭等通過對焊接過程的溫度場進(jìn)行建模，數(shù)值計算得到固液相等溫線獲得熔池形狀(唐鐵馴，姜興渭.電渣重熔過程中金屬熔池形狀的數(shù)學(xué)模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1985，03)。張海泉等針對電子束焊典型的釘形焊縫形貌特征，在綜合考慮熔池和匙孔中能量吸收與再分布效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了高斯面熱源和圓柱體熱源組合的熱源模型；模擬了鎳基高溫合金GH4133電子束焊的完全穿透和部分穿透焊接溫度場分布，預(yù)測結(jié)果與實際焊縫輪廓吻合良好(張海泉，張彥華，趙海燕.鎳基高溫合金電子束焊縫形貌預(yù)測模型及其驗證[J].航空材料學(xué)報，2004，521～25)。(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測焊縫的寬度、熔深以及余高等形貌尺寸特征。熊建鋼、張偉等建立了基于BP網(wǎng)絡(luò)的鈦合金(Ti-6Al-4V)激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化模型；該模型以激光功率、焊接速度和離焦量為輸入，以熔深和焊縫寬度為輸出，實現(xiàn)了由工藝參數(shù)預(yù)測焊縫形狀(熊建鋼，張偉，胡乾午.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的鈦合金YAG激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化[J].應(yīng)用激光，2001，4(21)243-246)。耿昌松等采用建立BP網(wǎng)絡(luò)模型的方法，有效地實現(xiàn)了A3鋼YAG激光深溶焊的熔深預(yù)測，相對誤差絕對值的平均值在8％以內(nèi)；模型以激光輸出功率、焊接速度、保護(hù)氣流量和焦點位置為輸入，以熔深為輸出(耿昌松，林泳，王旭友.YAG激光焊接參數(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[J].焊接學(xué)報，2001，6，37-40)。于有生等人通過脈沖激光焊接10Mn鍍鎳板的實例建立了焊縫形狀預(yù)測模型；模型以激光發(fā)射頻率、脈沖寬度、激光功率和焊接速度為輸入，以熔深和熔寬為輸出(于有生，李文杰.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在建立脈沖激光焊焊縫形狀模型中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2004，511～13)。林盾等運用BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測1Gr18Ni97Si不銹鋼YAG激光焊焊縫形狀；網(wǎng)絡(luò)輸入為焊接速度、激光功率、離焦量，輸出為焊縫熔深、熔寬(林盾，陳俐.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模擬非線性系統(tǒng)輸出中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2003，5731-734)。Jeng-Ywan Jeng等建立了激光對接焊焊接質(zhì)量預(yù)測模型，以材料厚度、對接間隙、激光功率、焊接速度為輸入，以焊縫寬度、咬邊、焊接變形量為輸出。(Jeng-Ywan Jeng，Tzuoh-Fei MauAnd Shyeu-Ming leu.Prediction of laser butt joint welding parametersusing back propagation and learning vector quantization networks[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，(99)207-218)。W.S.Chang等結(jié)合有限單元法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測激光搭接焊焊點形狀證明是成功的(CHANG W S，NA S J.Prediction of Laser-Spot-WeldShape by Numerical Analys is and Neural Network[J].Metallurgical andMaterials Transactions，2001，32B(3)723-731)。J.M.Vitek等研究了5754鋁合金板YAG脈沖激光焊，以實驗批次、平均能量、焊接速度、脈沖能量、脈沖時間為BP網(wǎng)絡(luò)輸入，以熔深、熔寬、半寬、熔化面積為輸出；熔深、熔寬以及熔化面積的百分誤差大多數(shù)在20％或以內(nèi)。(Vitek JM，F(xiàn)uerschbach P W，Smartt H B，et al.Neural Network Modeling ofPulsed-Laser Weld Pool Shapes in Aluminum Alloy Welds[R].Proceedingsof the laser materials processing conference，1998) 綜上所述，針對高能束流焊接焊縫形貌尺寸特征及其影響因素，國內(nèi)外學(xué)者主要從工藝參數(shù)角度開展研究。主要的研究方法有(1)數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法；(2)數(shù)值預(yù)測方法；(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。取得一些初步的結(jié)果，但對電子束焊接而言，未形成系統(tǒng)的模型及表達(dá)式。
對于焊縫形狀的研究，數(shù)值預(yù)測的方法是以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行簡單的熔池及焊縫外形的預(yù)測模擬，未深入尺寸精度方面的預(yù)測，未能形成系統(tǒng)的表征方法。通過數(shù)值預(yù)測方法建模需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)、物理及熱力學(xué)理論基礎(chǔ)研究支撐，建立模型存在難度。
數(shù)學(xué)統(tǒng)計法對焊縫形狀特征及影響研究，主要采用試驗數(shù)據(jù)回歸擬合的方法，建立熔深、熔寬、余高等形狀特征參數(shù)與束流、加速電壓、焊接速度等工藝因素的關(guān)系。由于考慮的影響因素數(shù)量有限，建立的模型適用性差，理論基礎(chǔ)較弱。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對焊縫形狀特征的預(yù)測研究，需要大量實驗數(shù)據(jù)。目前，研究考慮的因素數(shù)量較少，未考慮復(fù)雜的物理過程，方法直接簡潔；但模型理論基礎(chǔ)較弱，需要深入的理論研究完善數(shù)學(xué)模型的物理內(nèi)涵。
電子束焊接接頭熔凝區(qū)是指在熱循環(huán)作用下經(jīng)歷了熔化、凝固和組織轉(zhuǎn)變的區(qū)域，熔凝區(qū)形狀因子是指能夠反映接頭力學(xué)性能的接頭熔凝區(qū)幾何形狀的參量，包括工藝因子、環(huán)境因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電子束焊接成形系統(tǒng)模型及表達(dá)式的一種電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀因子的建模與求解方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是， 電子束焊接接頭熔凝區(qū)是指在熱循環(huán)作用下經(jīng)歷了熔化、凝固和組織轉(zhuǎn)變的區(qū)域，是決定焊接構(gòu)件的接頭性能的主要因素之一。在追求電子束焊接深穿透的同時，技術(shù)人員希望控制焊接熔凝區(qū)的形狀。接頭熔凝區(qū)成形除了取決于加速電壓、束流、焊接速度、聚焦電流等工藝參數(shù)外，與電子束束流品質(zhì)、電子束與材料的交互作用，以及電子束所處的壓強(qiáng)環(huán)境有關(guān)。熔凝區(qū)形狀因子是指能反映接頭力學(xué)性能的熔凝區(qū)幾何形狀的參量，由影響電子束焊接熔凝區(qū)形狀的一組因素組成，包括工藝因子、環(huán)境因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子。
(一)電子束焊接接頭試件 采用堆焊接頭形式，焊接參數(shù)選取加速電壓90～150kV，束流20～100mA，聚焦電流300～3000mA，焊接速度100～1200mm/min，真空度3×10-2～8×10-2Pa，槍距試件距離200～500mm； (二)測試接頭熔凝區(qū)形狀特征 電子束焊后通過線切割切取，制備接頭熔凝區(qū)金相試樣，拋光腐蝕后通過低倍顯微鏡和工具顯微鏡觀察測試熔凝區(qū)形狀特征尺寸，借助掃描儀和500萬像素以上的相機(jī)拍攝包括熔凝區(qū)熔深、熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角及熔凝區(qū)過渡弧半徑的接頭熔凝區(qū)整體形貌照片，將試樣總量的1/3作為驗證數(shù)據(jù)的獲取，另外2/3用于建模數(shù)據(jù)的獲??； (三)接頭熔凝區(qū)參數(shù)化再現(xiàn) 接頭熔凝區(qū)形狀平面曲線的參數(shù)化形式為x＝x(u)，y＝y(tǒng)(u) (1) 其中x、y表示坐標(biāo)，u為一個單調(diào)變化的參數(shù)， 曲率半徑表示為 s為弧長(2) 根據(jù)接頭熔凝區(qū)形狀幾何特征，對輪廓對稱分段，標(biāo)明典型的接頭熔凝區(qū)典型幾何控制點位置頂點A、過渡點B、焊趾點C、釘身部分點E和F、過渡點D、根部點G。根據(jù)熔凝區(qū)形狀的對稱關(guān)系，通過控制點的參數(shù)化坐標(biāo)，將熔凝區(qū)形狀再現(xiàn)為封閉性的曲線輪廓； (四)接頭熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計算與解析推導(dǎo) (1)溫度場解析 根據(jù)電子束焊接特點及參數(shù)化再現(xiàn)的結(jié)果，定義點熱源與線熱源的組合熱源，其中點熱源記作QP；線熱源記作QL，組合熱源為 QP+QL＝ηP＝ηUIb(3) 試板厚度為t，考慮周期性邊界條件，點熱源QP在動坐標(biāo)系中(x，y，z0)位置的溫度場可表示為 其中， (5) 對于有限厚度板上線熱源，取其上一微元q(z0)dz0作為點熱源，則 將q(z0)dz0沿線熱源積分，便可得到整個線熱源所產(chǎn)生的溫度場 根據(jù)疊加原理，點熱源溫度場和線熱源溫度場共同產(chǎn)生的溫度場可以表示為 (2)數(shù)值計算 根據(jù)(1)中定義的熱源形式，將建模試樣數(shù)據(jù)的材料熱物理參數(shù)、工藝參數(shù)、束流品質(zhì)參數(shù)等輸入至式(8)中，根據(jù)焊接的裝夾情況設(shè)定邊界條件，進(jìn)行溫度場數(shù)值計算；結(jié)合上述步驟(三)的參數(shù)化再現(xiàn)結(jié)果及上述步驟(二)的接頭熔凝區(qū)形狀特征參數(shù)，修正溫度場數(shù)值計算的結(jié)果，求解數(shù)學(xué)模型；在模型中輸入驗證數(shù)據(jù)，求解模型的待定參數(shù)，修正模型確定其有效性。
所述的熔凝區(qū)形狀因子中工藝因子包括加速電壓、束流、聚焦電流及焊接速度；環(huán)境因子為焊接時的真空度。
所述的熱物理參數(shù)包括，材料密度、材料熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容。
所述接頭熔凝區(qū)形狀特征參數(shù)包括，熔深、熔寬、余高、熔凝區(qū)的深寬比、熔凝區(qū)的過渡弧半徑及熔凝區(qū)焊趾角。
本發(fā)明具有的有益效果，本發(fā)明以傳統(tǒng)的熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從電子束焊接的機(jī)理出發(fā)，通過對接頭熔凝區(qū)形狀特征進(jìn)行提煉，實現(xiàn)熔凝區(qū)形狀的參數(shù)化再現(xiàn)，利用溫度場解析、量綱分析的方法，得到關(guān)于熔凝區(qū)形狀因子的定性模型，即通過數(shù)值解析的方法求解熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型。建立的模型理論基礎(chǔ)好，易于闡述和解釋形狀因子數(shù)學(xué)模型的物理內(nèi)涵。
熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型的求解，將改變過去焊接主要依賴經(jīng)驗的狀況，有利于技術(shù)人員規(guī)劃工藝，設(shè)計方案；模型將全面考慮各種因素的影響，有助于減少工程試驗的次數(shù)，節(jié)約材料，節(jié)省能源，提高工程研究進(jìn)度；系統(tǒng)開展了TC4、TA15鈦合金電子束焊接性研究，對于提高各種航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的電子束焊接質(zhì)量具指導(dǎo)意義；為航空構(gòu)件的設(shè)計及焊接制造，提供參考及技術(shù)儲備，可作為一種寶貴的存量資源；除可用于飛行器結(jié)構(gòu)件的焊接外，又可擴(kuò)大應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)其它方面。



圖1為本發(fā)明四種熔凝區(qū)形狀示意圖，其中，a典型釘形，b鐘罩形，c楔形，d漏斗形； 圖2為本發(fā)明熔凝區(qū)形狀特征尺寸示意圖； 圖3為本發(fā)明控制點坐標(biāo)參數(shù)化示意圖； 圖4為本發(fā)明接頭熔凝區(qū)輪廓再現(xiàn)示意圖； 圖5為本發(fā)明接頭熔凝區(qū)橫截面溫度分布示意圖。
具體實施方式
， (一)電子束焊接接頭試件 采用堆焊形式接頭，焊接參數(shù)選取加速電壓90～150kV，束流20～100mA，聚焦電流300～3000mA，焊接速度100～1200mm/min，真空度3×10-2～8×10-2Pa，槍距試件距離200～500mm； (二)測試接頭熔凝區(qū)形狀特征 電子束焊后通過線切割切取，制備接頭熔凝區(qū)金相試樣，拋光腐蝕后通過低倍顯微鏡和工具顯微鏡觀察測試熔凝區(qū)形狀尺寸，借助掃描儀和500萬像素以上的相機(jī)拍攝包括熔凝區(qū)熔深、熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角及熔凝區(qū)過渡弧半徑的接頭熔凝區(qū)整體形貌照片，將試樣總量的1/3作為驗證數(shù)據(jù)的獲取，另外2/3用于建模數(shù)據(jù)的獲取； (三)接頭熔凝區(qū)參數(shù)化再現(xiàn) 根據(jù)熔凝區(qū)形狀的對稱關(guān)系，通過控制點的參數(shù)化坐標(biāo)，將熔凝區(qū)形狀再現(xiàn)為封閉性的曲線輪廓。接頭熔凝區(qū)形狀平面曲線的參數(shù)化形式為 x＝x(u)，y＝y(tǒng)(u)(1) 其中x、y表示坐標(biāo)，u為一個單調(diào)變化的參數(shù)， 曲率半徑表示為 s為弧長 (2) 根據(jù)接頭熔凝區(qū)形狀幾何特征，對輪廓對稱分段，標(biāo)明典型的接頭熔凝區(qū)典型幾何控制點位置余高頂點A，焊趾點C，過渡點B，釘身部分點E和F，過渡點D，根部點G，如圖1所示。根據(jù)熔凝區(qū)形狀的對稱關(guān)系，通過控制點的參數(shù)化坐標(biāo)，將熔凝區(qū)形狀再現(xiàn)為封閉性的曲線輪廓； (四)接頭熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計算與解析推導(dǎo) (1)溫度場解析 根據(jù)電子束焊接特點及參數(shù)化再現(xiàn)的結(jié)果，將電子束焊接熱源定義為點、線熱源的組合熱源，其中點熱源表示電子束焊接匙孔上方的附加熱源，記作QP；線熱源表示電子束焊接匙孔引起的熱效應(yīng)，記作QL。顯然，二者可以滿足下列關(guān)系QP+QL＝ηP＝ηUIb(3) 試板厚度為t，考慮周期性邊界條件，點熱源QP在動坐標(biāo)系中(x，y，z0)位置的溫度場可表示為 其中， (5) 對于有限厚度板上線熱源，取其上一微元q(z0)dz0作為點熱源，則 將q(z0)dz0沿線熱源積分，便可得到整個線熱源所產(chǎn)生的溫度場 根據(jù)疊加原理，點熱源和線熱源共同產(chǎn)生的溫度場可以表示為 (2)數(shù)值計算 根據(jù)(1)中定義的熱源形式，將建模試樣數(shù)據(jù)的材料熱物理參數(shù)、工藝參數(shù)、束流品質(zhì)參數(shù)等輸入至式(8)中，根據(jù)焊接的裝夾情況設(shè)定邊界條件，進(jìn)行溫度場數(shù)值計算；結(jié)合上述步驟(三)的參數(shù)化再現(xiàn)結(jié)果，以及上述步驟(二)的接頭熔凝區(qū)形狀特征參數(shù)，修正溫度場數(shù)值計算的結(jié)果，求解數(shù)學(xué)模型；在模型中輸入驗證數(shù)據(jù)，修正模型確定其有效性。
實施例一 1.電子束焊接接頭試件 厚20mm尺寸為200mm×180mm的TC4鈦合金試板電子束焊接 Ua-加速電壓，Ib-束流If-聚焦電流V-焊接速度，H-槍距試件距離 參數(shù)1Ua＝150kV，Ib＝48mA，If＝342mA，V＝800mm/min，H＝251mm，真空6×10-3Pa 參數(shù)2Ua＝150kV，Ib＝56mA，If＝356mA，V＝600mm/min，H＝251mm，真空8×10-3Pa 參數(shù)3Ua＝90kV，Ib＝61mA，If＝1675mA，V＝600mm/min，H＝370mm，真空3.2×10-4Pa 參數(shù)4Ua＝150kV，Ib＝29mA，If＝342mA，V＝200mm/min，H＝251mm，真空4×10-3Pa 參數(shù)5Ua＝90kV，Ib＝54mA，If＝1670mA，V＝600mm/min，H＝370mm，真空3.0×10-4Pa 參數(shù)6Ua＝90kV，Ib＝97mA，If＝1654mA，V＝600mm/min，H＝370mm，真空3.6×10-4Pa 參數(shù)7Ua＝90kV，Ib＝92mA，If＝1685mA，V＝600mm/min，H＝370mm，真空3.2×10-4Pa 參數(shù)8Ua＝150kV，Ib＝42mA，If＝324mA，V＝400mm/min，H＝251mm，真空4×10-3Pa 參數(shù)9Ua＝90kV，Ib＝47mA，If＝1654mA，V＝450mm/min，H＝370mm，真空3.2×10-4Pa 參數(shù)10Ua＝150kV，Ib＝37mA，If＝2220mA，V＝800mm/min，H＝370mm，真空3.6×10-4Pa。
通過Diabeam測試儀確定束流品質(zhì)的影響為電子束焊接熱效率為90％，束流斑點直徑為0.54mm。
2.測試電子束焊接頭熔凝區(qū)形狀特征 焊后切取金相試樣，采用顯微鏡、500萬像素以上的相機(jī)等工具測試分析，分別獲取如圖1所示的釘型、鐘罩型、漏斗形及楔形等四種接頭熔凝區(qū)形貌，接頭熔凝區(qū)形狀特征尺寸(見圖2)其中H-熔凝區(qū)熔深/mm，B-熔凝區(qū)熔寬/mm、W1-正面接頭熔凝區(qū)熔寬/mm、W2-背面接頭熔凝區(qū)熔寬/mm、h-接頭熔凝區(qū)余高/mm、H/B-熔凝區(qū)深寬比；α-熔凝區(qū)焊趾角/°、r-熔凝區(qū)過渡弧半徑/mm。采用的焊接工藝為臨界透，熔深H均為20mm，具體的熔凝區(qū)形狀特征尺寸如下 參數(shù)1B＝2.08mm，W1＝5.05mm，h＝1.54mm，H/B＝9.62，r＝6.98mm，α＝16°； 參數(shù)2B＝2.78mm，W1＝5.87mm，h＝0.84mm，H/B＝7.19，r＝3.97mm，α＝14°； 參數(shù)3B＝2.22mm，W1＝8.89mm，h＝1.11mm，H/B＝9，r＝4.19mm，α＝24°； 參數(shù)4B＝1.79mm，W1＝4.49mm，h＝0.93mm，H/B＝11.17，r＝7.01mm，α＝23°； 參數(shù)5B＝4.07mm，W1＝11.11mm，h＝1.85mm，H/B＝4.9，r＝17.98mm，α＝19°； 參數(shù)6B＝1.86mm，W1＝7.24mm，h＝1.03mm，H/B＝10.56，r＝2.63mm，α＝26°； 參數(shù)7B＝3.7mm，W1＝11.85mm，h＝1.48mm，H/B＝5.4，r＝5.51mm，α＝22°； 參數(shù)8B＝2.46mm，W1＝9.47mm，h＝1.4mm，H/B＝8.13，R＝10.09mm，α＝30°； 參數(shù)9B＝2.59mm，W1＝8.15mm，h＝1.29mm，H/B＝7.7，R＝15.28mm，α＝18°； 參數(shù)10B＝1.67mm，W1＝6.67mm，h＝1.11mm，H/B＝12，R＝2.98mm，α＝24°。
3.電子束接頭熔凝區(qū)形狀的參數(shù)化再現(xiàn) 根據(jù)上述步驟2.接頭試樣截面熔凝區(qū)幾何形狀，以熔凝區(qū)中心線為對稱中心，獲取接頭熔凝區(qū)中心線一側(cè)控制點A(0，h)、B(XB，YB)、C(W1/2，0)、D(XD，YD)、E (XE，YE)、F(XF，YF)、G(0，-H)?？刂泣c的坐標(biāo)參數(shù)化如圖3所示，將各離散點連接起來的光滑曲線就是公式(1)中的參數(shù)表示。將接頭試樣一系列點按B樣條曲線形式連接繪出，熔凝區(qū)形狀即可再現(xiàn)為封閉性的曲線輪廓見圖4。
4.接頭熔凝區(qū)形狀因子模型的數(shù)值解析結(jié)果 TC4鈦合金固相密度4440kg.m-3、液相密度4110kg.m-3，熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容見表1。將上述熱物理參數(shù)及步驟1中2/3的數(shù)據(jù)工藝參數(shù)輸入式(8)；考慮將束流品質(zhì)影響，將電子束焊接熱效率設(shè)定為90％，束流斑點直徑為0.54mm，輸入式(8)模型，進(jìn)行溫度場數(shù)值計算。線熱源沿深度方向均勻分布，電子束焊接熔凝區(qū)數(shù)值計算結(jié)果如圖5。隨著點熱源比例逐漸增多，熔凝區(qū)頭部逐漸增大，趨于漏斗形。
表1 TC4鈦合金熱物理參數(shù)
結(jié)合上述步驟2，3的熔凝區(qū)形狀特征尺寸及參數(shù)化再現(xiàn)，修正溫度場數(shù)值計算的結(jié)果，數(shù)值解析計算熔合線區(qū)域，反推求解熔凝區(qū)形狀特征與熔凝區(qū)形狀因子的關(guān)系，即獲得熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型；在模型中輸入驗證數(shù)據(jù)，修正模型確定其有效性。推導(dǎo)獲得數(shù)學(xué)模型形式如下 其中，聚焦系數(shù)A(設(shè)備自身)和工作距離D一般保持不變，B，C為待定系數(shù)；聚焦長度正比于加速電壓，反比于聚焦電流的平方
權(quán)利要求
1.一種電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀因子的建模與求解方法，其特征是，
一、電子束焊接接頭試件
焊接參數(shù)選取加速電壓90～150kV，束流20～100mA，焊接速度100～1200mm/min，聚焦電流300～3000mA，真空度3×10-2～8×10-2Pa，槍距試件距離200～500mm；
二、測試接頭熔凝區(qū)形狀特征
電子束焊后線切割切取、制備接頭熔凝區(qū)金相試樣，拋光腐蝕后采用低倍顯微鏡和工具顯微鏡觀察測試熔凝區(qū)形狀特征參數(shù)，借助掃描儀和500萬像素以上的相機(jī)拍攝包括熔凝區(qū)熔深、熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角及熔凝區(qū)過渡弧半徑的接頭熔凝區(qū)整體形貌照片，取試樣總量的1/3作為驗證數(shù)據(jù)的獲取，另外2/3的試樣用于建模數(shù)據(jù)獲?。?br> 三、接頭熔凝區(qū)參數(shù)化再現(xiàn)
接頭熔凝區(qū)形狀平面曲線的參數(shù)化形式為x＝x(u)，y＝y(tǒng)(u)(1)
其中x、y表示坐標(biāo)，u為一個單調(diào)變化的參數(shù).
曲率半徑可表示為
s為弧長(2)
根據(jù)接頭熔凝區(qū)形狀幾何特征，對輪廓對稱分段，標(biāo)明典型的接頭熔凝區(qū)典型幾何控制點位置余高頂點A、焊趾點C、A與C間過渡點B1、釘身部分點E和F、C與E間過渡點D，根部點G。根據(jù)熔凝區(qū)形狀的對稱關(guān)系，通過控制點的參數(shù)化坐標(biāo)，將熔凝區(qū)形狀再現(xiàn)為封閉性的曲線輪廓；
四、接頭熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計算與解析推導(dǎo)
(1)溫度場解析
根據(jù)電子束焊接特點及參數(shù)化再現(xiàn)的結(jié)果，定義點熱源與線熱源的組合熱源，其中點熱源記作QP；線熱源記作QL，組合熱源為
QP+QL＝ηP＝ηUIb(3)
試板厚度為t，考慮周期性邊界條件，點熱源QP在動坐標(biāo)系中(x，y，z0)位置的溫度場可表示為
其中，
(5)
對于有限厚度板上線熱源，取其上一微元q(z0)dz0作為點熱源，則
將q(z0)dz0沿線熱源積分，便可得到整個線熱源所產(chǎn)生的溫度場
根據(jù)疊加原理，點熱源溫度場和線熱源溫度場共同產(chǎn)生的溫度場可以表示為
(2)數(shù)值計算
根據(jù)(1)中定義的熱源形式，將建模試樣數(shù)據(jù)的材料熱物理參數(shù)、工藝參數(shù)、束流品質(zhì)參數(shù)等輸入至式(8)中，根據(jù)焊接的裝夾情況設(shè)定邊界條件，進(jìn)行溫度場數(shù)值計算；結(jié)合上述步驟三的參數(shù)化再現(xiàn)結(jié)果及上述步驟二的接頭熔凝區(qū)形狀特征參數(shù)，修正溫度場數(shù)值計算的結(jié)果，求解數(shù)學(xué)模型；在模型中輸入驗證數(shù)據(jù)，修正模型確定其有效性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀因子的建模與求解方法，其特征是，所述的熔凝區(qū)形狀因子中工藝因子包括加速電壓、束流、聚焦電流及焊接速度；環(huán)境因子為焊接時的真空度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀因子的建模與求解方法，其特征是，所述的熱物理參數(shù)包括，材料密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容、熔點。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種基于高能束流焊接接頭力學(xué)性能的熔凝區(qū)形狀因子模型的求解方法，適用于各種金屬材料的電子束焊接技術(shù)。本發(fā)明以傳統(tǒng)的熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從電子束焊接的機(jī)理出發(fā)，通過對接頭熔凝區(qū)形狀特征進(jìn)行提煉，實現(xiàn)熔凝區(qū)形狀的參數(shù)化再現(xiàn)，利用溫度場解析、量綱分析的方法，得到關(guān)于熔凝區(qū)形狀因子的定性模型，即通過數(shù)值解析的方法求解熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型。在較強(qiáng)的數(shù)學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)理論的支撐下，建立的模型理論基礎(chǔ)好，易于闡述和解釋形狀因子數(shù)學(xué)模型的物理內(nèi)涵。熔凝區(qū)形狀因子數(shù)學(xué)模型的求解，將改變過去焊接主要依賴經(jīng)驗的狀況，有利于技術(shù)人員規(guī)劃工藝，設(shè)計方案；模型將全面考慮各種因素的影響，有助于減少工藝試驗的次數(shù)。
文檔編號G06F17/50GK101334807SQ20081013453
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月28日
發(fā)明者付鵬飛, 王亞軍, 關(guān)永軍, 盧志軍 申請人:中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所