CN103273207A

CN103273207A - 基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法

Info

Publication number: CN103273207A
Application number: CN201310126685XA
Authority: CN
Inventors: 肖小亭; 胡浩; 孙友松; 章争荣; 高向东; 程永奇; 张鹏
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明是一种基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，包括如下步骤：1）确定初次的焊接路径；2）对机身结构进行焊接过程的数值模拟分析；3）获得每条焊缝各单元节点位置的残余应力及其引起的变形量；4）对机身构件的原始焊接路径进行修正处理；5）按照修正的路径，进行焊接过程的数值模拟；6）获得修正路径后焊接残余应力及变形后的形状，并与初始路径比较；7）检测修正路径后产生的残余应力和焊接变形量是否符合机身焊接精度要求；8）如符合精度要求，则设计出压力机机身的焊接路径；9）如不符合精度要求，则继续进行焊接路径处理和数值模拟，直到符合精度要求。本发明可减少焊接变形对机身质量的影响，实现焊接路径的最优化，提高焊接效率。

Description

基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法

技术领域

本发明是一种基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，属于基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法的创新技术。

背景技术

压力机是最重要的机械装备之一。广泛应用于汽车、航空航天、风力发电、通讯以及家电等行业的加工。压力机的技术水平、生产能力和自动化程度直接影响着我国工业、农业、国防、航空航天等行业的发展和技术进步，影响着我国现代化进程。

压力机机身是压力机承受全部工作载荷的最关键的部件之一。机身对压力机的精度起着决定性的作用。尤其是其刚度，设计时应该重点考虑，因为机身的刚度不仅影响压力机的性能和使用寿命，还直接影响机床上模具的寿命及成形零件的加工精度，甚至影响到生产的顺利完成。由于压力机机身结构一般比较复杂，因此铸造机身可满足其要求，同时铸造机身还具有易于制造，吸收震动好等优点，但是由于铸件强度较低，因此铸造机身通常比较庞大，增加了原材料成本，而且制造周期较长。随着焊接技术的发展，钢板焊接机身已成为压力机技术制造的主流，该种类型技术具有结构紧凑，重量轻，刚度好，制造周期短等优点，但对焊接技术具有较高要求。

压力机机身钢板焊接是最重要的制造环节。机身钢板包括角板、筋板、油箱板、前板、侧板等30多种板材，板厚从5 mm到150 mm不等，形成直缝、角缝、环形缝、坡口、非坡口等复杂结构的三维空间焊缝，并且处于半封闭结构的焊接环境。另外，压力机机身尺寸大（可达3830′2352′1490mm），重量达数10吨。由于压力机机身的以上特点，使得其焊接过程十分复杂。

目前对压力机机身钢板的焊接采用手工熔化极CO₂电弧焊接工艺，即利用焊丝与钢板之间产生的电弧，将焊缝局部加热到熔融状态，完成焊缝的连接。在此过程中，操作工通过防护罩的减光玻璃，人眼识别焊缝位置，手持焊枪（或操作柄）完成焊缝跟踪和钢板焊接。这种焊接工艺不仅劳动强度大，而且伴有直接的烟雾、粉尘污染、强烈的弧光辐射，对人身健康影响很大。另外，焊接电流和焊接速度须严格控制，如果电流较小，则电弧不稳，熔深不达标；但如果电流过大，易造成角高超标，形成焊接残余应力，影响焊接强度。为了克服手工焊接的不足，对压力机机身采用机器人自动焊接替代目前的手工焊接已成为压力机机身制造的必由之路，它不仅可极大改善工作环境及提高生产效率，同时也可增加焊接质量的稳定性。然而，由于压力机机身体积庞大，板厚不一，焊缝错综复杂，在焊接过程中不可避免会出现热变形等焊接质量问题。所以，研究复杂的压力机身的焊接变形的控制方法，对于提高机身的焊接质量具有十分重要的意义。

压力机机身采用机器人自动焊接面临的首要问题是如何确定三维复杂结构焊接时的路径优化问题。这不仅决定焊接速度和焊接效率问题，更重要的是如何保证焊接热变形及其变形过程带来的附加应力和焊接完成后的残余应力等对机身的焊后变形和质量的影响。在确定焊接工艺条件和机器人焊接的前提下，解决焊接变形问题主要是根据经验采用分散焊接路径和焊接完成后整机进行退火处理。这些方法虽然可减少压力机机身焊接后的变形，但仍然只能根据焊接后变形的情况定性的进行分析处理，没有从本质上或在焊接过程解决机身变形问题，影响到机身质量的提高和焊接周期的缩短。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种既可减少焊接变形对机身质量的影响，又可实现焊接路径的最优化的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法。本发明方便实用，可提高焊接效率。

本发明的技术方案是：本发明的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，包括有如下步骤：

1）确定合理的焊接工艺条件和初次的焊接路径；

2）对机身结构的初始模型划分单元网格节点，进行焊接过程的数值模拟分析；

3）获得每条焊缝各单元节点位置的残余应力及其引起的变形量；

4）根据节点残余应力引起的变形量乘以一个小于等于1的位移松弛系数后，对机身构件的原始焊接路径进行修正处理；

5）按照修正处理的路径，在相同工艺条件的前提下，进行焊接过程的数值模拟；

6）获得修正路径后焊接残余应力及变形后的形状，并与初始路径比较；

7）检测修正路径后产生的残余应力和焊接变形量是否符合机身焊接精度要求；

8）如符合精度要求，则根据最终路径，设计出压力机机身的焊接路径；

9）如不符合精度要求，则继续进行焊接路径处理和数值模拟，直到最终机身的焊接路径符合焊接变形精度要求。

上述步骤1）根据焊接工艺理论、实践经验和数值模拟，确定合理的焊接工艺条件和初次的焊接路径。

上述步骤2）运用数值模拟软件对机身结构的初始模型划分单元网格节点，进行焊接过程的数值模拟分析。

本发明的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法在相应机身的焊接工艺条件被设定后，充分利用数值模拟，在数值模拟结果的基础上，采用残余应力定量化分析焊接变形，并以此来规划和确定焊接路径的方法，可根据压力机机身所需焊接位置，通过对单条焊缝的残余应力进行分析，并对每条焊缝进行评级，然后根据焊缝残余应力的级别进行编号排序，以整体焊接变形量最小为目标，给定整个机身的焊接路径。对解决复杂的压力机机身焊接质量具有重要的意义。本发明是一种既可减少焊接变形对机身质量的影响，又可实现焊接路径的最优化的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，本发明方便实用，可提高焊接效率。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明的流程图如图1所示，本发明的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，包括有如下步骤：

1）确定坡口形式、焊接工艺参数等合理的焊接工艺条件和先内后外的初次焊接路径，焊接工艺参数包括电流、电压、焊接层数、道数等；

本实施例中，上述步骤1）根据焊接工艺理论、实践经验和数值模拟，确定合理的焊接工艺条件和初次的焊接路径。

本实施例中，上述步骤2）运用数值模拟软件对机身结构的初始模型划分单元网格节点，进行焊接过程的数值模拟分析。

本发明是一种基于数值模拟残余应力定量分析焊接变形的处理方法。根据焊接工艺理论、实践经验和数值模拟，确定压力机机身的合理焊接工艺条件后，运用数值模拟软件对被焊压力机机身模型划分网格节点后进行焊接过程的数值模拟分析，获得各焊缝位置的残余应力的分布。针对每一节点位置的残余应力，乘以一个小于等于1的变形系数后，对机身的原始模型进行反向变形处理。在相同焊接工艺条件下，针对反变形的机身模型，再进行焊接过程的残余应力模拟分析，获得残余应力分布，比较反变形模型变形后的形状与初始模型的差别。如果差值处于精度要求范围之内，则根据反变形模型进行机身的焊接路径设计。否则，继续根据反变形模型、焊接后的变形量和松弛系数，进行进一步的反变形处理，直到获得符合精度要求的最终反变形模型，最后根据最终反变形模型进行焊接路径的规划与设计。

本发明为解决压力机机身机器人焊接中由于焊接的先后顺序不妥引起的变形而带来的质量问题，提出基于残余应力定量分析的机身焊接变形分析的新方法。针对典型压力机机身结构，在CAD软件中建立包含焊缝特征的三维数值模型，运用现有通用结构有限元软件建立焊接残余应力与焊件变形数值分析的有限元模型，并进行温度与弹塑性变形耦合的数值模拟分析，获得机身焊接后内部的残余应力及焊接变形分布规律；进行与数值模拟相同条件的机身实际焊接加工，测量各对应特征点的变形情况，验证和修正数值模拟结果。

在机身焊接有限元模型基础上，建立不同路径的机身焊接工艺并进行数值模拟，研究焊接路径对焊接残余应力及焊接变形影响，进行不同路径的机身焊接实际生产，测量各特征点的变形情况，验证数值模拟结果，最终获得焊接路径对焊接残余应力及焊接变形的影响规律，为焊接路径优化提供依据。

根据本发明给出的焊接路径进行机身的焊接，既可减少提高变形对焊接质量的影响，又可实现焊接路径的最优化提高焊接效率。

Claims

1.一种基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，其特征在于包括有如下步骤：

1）确定合理的焊接工艺条件和初次的焊接路径；

2.根据权利要求1所述的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，其特征在于上述步骤1）根据焊接工艺理论、实践经验和数值模拟，确定合理的焊接工艺条件和初次的焊接路径。

3.根据权利要求1所述的基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法，其特征在于上述步骤2）运用数值模拟软件对机身结构的初始模型划分单元网格节点，进行焊接过程的数值模拟分析。