V型坡口多层堆焊焊缝形貌预测与虚拟化仿真研究

作     者：周妃四 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李时春

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：V型坡口 多层堆焊 工艺参数 焊缝形貌 虚拟化仿真 

摘      要：焊接过程作业环境差、焊工培训的高成本和高要求、以及国家“碳中和战略节能绿色化的驱使,焊接虚拟化是目前培训领域亟需解决的问题。而数字孪生的关键技术之一是虚拟仿真模型对物理要素的高度准确仿真。将数字孪生技术用在焊接领域具有非常显著的优势。为此,建立面向焊接过程数字孪生的焊缝成形虚拟化仿真模型以及系统意义重大。为了研究V型坡口多层堆焊焊缝形貌虚拟仿真,首先,通过建立焊缝层间相关联的神经网络模型实现对不同工艺参数下焊缝形貌特征量的预测。其次,结合焊缝形貌特征量和V型坡口结构参数,建立焊缝形貌虚拟化模型。从而构建了工艺参数到焊缝形貌特征量、再到焊缝形貌虚拟化模型之间的关系,实现了焊缝形貌虚拟化仿真。主要研究内容如下: (1)试验研究V型坡口时的打底焊、填充焊、摆动焊焊接过程所对应的焊缝形貌与工艺参数之间的关系,构建不同层及不同阶段焊缝形貌特征量与工艺参数间的预测模型。验证表明,预测模型均能有效地预测各层的焊缝形貌特征量,从而为建立实时的焊缝形貌虚拟化模型提供技术支持。 (2)对V型坡口时的打底层、填充层、摆动层的焊缝形貌进行分析,对不同层的焊缝形貌进行虚拟化重构,建立不同层的焊缝形貌特征量与虚拟化重构焊缝之间的关系模型。在前述神经网络预测模型基础上,进一步构建V型坡口内逐层堆叠时的完整焊缝形成过程、以及摆动焊接过程中利用直线焊道轨迹摆动叠加构建特殊位置的虚拟化仿真模型。从而构建了工艺参数到焊缝形貌特征量、再到焊缝形貌虚拟化模型之间的关系,实现了焊缝形貌虚拟化仿真。验证表明,虚拟轮廓与实际轮廓具有较高的一致性,说明焊缝形貌虚拟化仿真具有较高的准确性。同时,焊缝形貌虚拟化仿真的实现为焊接过程数字孪生技术提供了理论基础。 (3)开发V型坡口时多层堆焊焊缝形貌的预测、虚拟化仿真系统,实现工艺参数-焊缝形貌-虚拟化重构焊缝之间的高度映射,即实现焊缝形貌的虚拟化仿真,为焊接工程师的虚拟化培训评价反馈、以及实际手工焊接应用的实时监测反馈提供基础。