CN104057210A

CN104057210A - 基于强度理论的焊接设计方法

Info

Publication number: CN104057210A
Application number: CN201310090169.6A
Authority: CN
Inventors: 刘拥军; 赵永昌; 陈璟; 朱挺
Original assignee: Pan Asia Technical Automotive Center Co Ltd; Shanghai General Motors Co Ltd
Current assignee: SAIC General Motors Corp Ltd; Pan Asia Technical Automotive Center Co Ltd
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN104057210B

Abstract

本发明提供一种基于强度理论的焊接设计方法，属于焊接技术领域。该焊接设计方法包括（1）实际测量步骤，（2）对所述焊接模拟件进行计算机辅助工程（CAE）分析步骤，（3）对整个焊接工件的CAE分析步骤，以及（4）改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力σ_max，直至该焊缝的最小安全系数N落入该焊缝对应的安全系数范围。该焊接设计方法能针对性地降低某些焊缝的应力水平、提高其安全系数，使焊接调试过程简单，有效地整体提高焊缝的承载性能。

Description

基于强度理论的焊接设计方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及基于强度理论的焊接设计方法。

背景技术

在焊接过程中，不均匀的加热使得焊缝及其附近的温度很高，而焊缝远处的大部分金属不受热，这样，不受热的冷金属便阻碍了焊缝及近焊缝区金属的膨胀和收缩，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力，这样也就是通常说的焊接残余应力。焊接形成的工件在工作时，焊接残余应力和工作载荷形成合成应力，其直接影响工件的承载能力和疲劳性能。

为满足焊接工件的产品质量要求，可以采用实际的焊接试验工件进行焊接调试，以设计出相对合理的焊接方法。但是，这样的设计调试过程时间长、工作量大、调试样件数量多、成本高。因此，在对工件焊接方法过程中，引入计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）进行仿真分析，以简化设计调试过程。

目前，在焊接设计过程中，采用二维壳单元进行焊缝的仿真分析，其将焊缝结构作为母材的一部分，没有考虑由于焊接过程中产生的残余应力。另外，目前的CAE分析方法只能对焊缝长度进行研究设计，无法分析焊接截面尺寸、焊接顺序等因素对工件的承载能力和疲劳特性。因此，目前的焊接设计方法分析不科学、不准确，容易导致其设计的焊接方法难以满足焊接工件的强度要求。

发明内容

本发明的目的之一在于，提出一种可优化焊接方法的焊接设计方法。

本发明的又一目的在于，有效降低焊缝的应力水平。

本发明的再一目的在于，简化焊接方法设计调试过程。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种基于强度理论的焊接设计方法，其中包括：

（1）实际测量步骤：

（1a）在采用既定焊接方法生产焊接工件的过程中，记录各焊缝在其相应的焊接过程中的实际温度变化曲线；

（1b）在所述焊接工件中确定焊缝作为焊接模拟件；

（1c）对所述焊接模拟件进行残余应力测量；

（2）对所述焊接模拟件进行计算机辅助工程（CAE）分析步骤：

（2a）对所述焊接模拟件应用三维立体单元建立CAE模型，调整热源参数使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合，并且使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟残余应力与步骤（1c）中测量的相应残余应力基本相符合；

（2b）基于该CAE模型获取所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ_bw）；

（3）对整个焊接工件的CAE分析步骤：

（3a）将所述焊接模拟件的CAE分析方法扩展应用至整个焊接工件以建立所述焊接工件的CAE模型，按照焊接工序相应调整热源参数，使每个焊缝的模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合；

（3b）根据焊接工件的各部件的材料特性并基于所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ_bw），得到各焊缝的微观断裂强度（σ_bw）；

（3c）基于所述焊接工件的CAE模型模拟施加工作载荷，至少将所述工作载荷和残余应力合成以获取每个焊缝所承受的最大应力（σ_max）；

（3d）每个焊缝的微观断裂强度（σ_bw）除以最大应力（σ_max）得到该焊缝的最小安全系数（N）；

（3e）判断每个焊缝的最小安全系数（N）是否落入该焊缝对应的安全系数范围，如果判断为否，则不对所述既定焊接方法进行改进，如果判断为是，则进入步骤（4）；

（4）改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力（σ_max），直至该焊缝的最小安全系数（N）落入该焊缝对应的安全系数范围。

按照本发明一实施例的焊接设计方法，在所述步骤（1c）中，对所述焊接模拟件进行拉力试验以测量出所述焊接模拟件的焊缝开裂载荷；在所述步骤（2b）中，基于该CAE模型进行模拟拉力试验，其中，设定拉力为所述焊缝开裂载荷时，模拟获取的焊接模拟件的应力即为所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ_bw）。

按照本发明又一实施例的焊接设计方法，在所述步骤（3b）中，应用插值法得到各焊缝的微观断裂强度（σ_bw）。

按照本发明还一实施例的焊接设计方法，在建立CAE模型过程中，加入移动热源以建立所述焊接工件的温度场模型。

按照本发明再一实施例的焊接设计方法，其中，所述CAE模型为有限元分析（FEA）模型。

在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述焊接工件可以为汽车上的扭杆梁后桥。

在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述焊接模拟件为扭杆梁后桥的衬套管与悬架臂之间的焊缝。

在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述既定焊接方法采用二氧化碳气体保护焊。

在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述步骤（1c）中，残余应力测量采用应变片，在指定位点贴所述应变片，对所述应变片的中间钻孔以释放焊接时产生的残余应力，通过测量应变的变化得到所述指定点的残余应力。

在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，在所述步骤（4）中，改进既定焊接方法包括改变焊接顺序、改变焊接方向、增加或删除焊缝段、和/或改变焊缝截面尺寸。

本发明的技术效果是，CAE模型能准确地反映焊接的残余应力，准确反映焊缝的应力水平，有利于针对性地降低某些焊缝的应力水平、提高其安全系数；并且焊接调试过程简单，有效地整体提高焊缝的承载性能。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的基于强度理论的焊接设计方法流程示意图。

图2是扭杆梁后桥的一视角立体状态示意图。

图3是扭杆梁后桥的又一视角立体状态示意图。

图4是测量的实际温度变化曲线示意图。

图5是在本实施例中选择的焊接模拟件的结构示意图。

图6是残余应力测量实施例的应变片、孔和焊缝的位置示意图。

图7是主应力与σ_x、σ_y的关系示意图。

图8是焊接模拟件的CAE模型示意图。

图9是焊接模拟件的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线之间的匹配示意图，其中图9（a）为实际温度变化曲线，图9（b）为模拟温度变化曲线。

图10是焊接模拟件的模拟残余应力与实际残余应力之间的匹配示意图，其中图10（a）为若干测量点的纵向残余应力的比对示意图，图10（b）为若干测量点的横向残余应力的比对示意图。

图11是扭杆梁后桥的焊缝安全系数不满足要求的5条焊缝的位置示意图，其中图11（a）为从一视角的局部示意图，图11（b）为从又一视角的局部示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

图1所示为按照本发明一实施例的基于强度理论的焊接设计方法流程示意图。在本发明中，强度理论中的“强度”是与“疲劳”相区别的，其可以理解为静态强度。对于该实施例的焊接设计方法，将结合汽车中使用的扭杆梁后桥进行示例说明，也即焊接工件选择扭杆梁后桥。

图2所示为扭杆梁后桥的一视角立体状态示意图，图3所示为扭杆梁后桥的又一视角立体状态示意图。扭杆梁后桥包括衬套管11、横梁12、悬架臂13、弹簧盘14、减振器支架15、加强板16和侧向加强板17等部件。为实现各个部件之间的固定连接并保证其承载能力，需要在其各个焊接工位（例如，Ⅰ工位、Ⅱ工位、Ⅲ工位、Ⅳ工位、Ⅴ工位）处焊接一条或多条焊缝。其焊接设计方法主要用来衡量各焊接工位或各焊缝之间焊接顺序、各焊缝之间的焊接方向、焊缝设置、焊缝截面尺寸等所对应产生的残余应力对扭杆梁后桥的强度影响，以改进其焊接方法。以下结合图1至图11详细示例说明焊接设计方法过程。

首先，步骤S110，采用既定焊接方法生产焊接工件的过程中，记录各焊缝在其相应的焊接过程中的实际温度变化曲线。

在该实施例中，具体地，既定焊接方法中可以采用CO₂气体保护焊焊接所有焊缝，焊接设备、焊丝、保护气体等可以是选择确定的，例如，焊接设备的型号具体为 MOTOWELD-EH500电源，焊丝具体为JM56，保护气体具体为：80%氩气和20% CO₂。但是，这不是限制性的，根据焊接工件的焊接要求等，可以具体选择确定。需要理解的是，既定的焊接方法可以为传统的或者针对该焊接工件已有的焊接方法，其焊接工艺参数是本领域技术人员所能确定的。

在实际焊接生产现场，记录扭杆梁后桥各焊接工位的各焊缝的焊接过程中的温度变化情况和实际焊接时间，具体可以采用热电偶点焊仪将热电偶焊接在扭杆梁后桥各部件上，采用示波仪记录焊接过程中的温度变化，根据记录的温度数据和时间数据，得到如图4所示的实际温度变化曲线。需要说明的是，图4所示的实际温度变化曲线是对应于某一焊缝的曲线，焊缝方法需要改进的每个焊缝所对应的实际温度变化曲线均需要测量。

进一步，步骤S120，确定一焊缝作为焊接模拟件。

在该实施例中，如图5所示，选择悬架臂13和衬套管11连接位置的焊缝91作为焊接模拟件。焊缝91大致25mm长，在后续步骤中，针对该焊缝91做拉力试验和残余应力测量。

需要说明的是，作为模拟件的焊缝不限于本实施例的一条，其也可以为多条，为多条时，需要针对每条焊缝重复以下步骤S130、S210、S220。因此，数量越多工作量越大，但是结果可能更准确。焊接模拟件的选择可以根据以下步骤S130中拉力实验是否容易实施、受其他因素影响大小来确定，一般地，选择焊缝形状为直线、焊缝长度相对较短的焊缝作为焊接模拟件，但是这不是限制性的。

进一步，步骤S130，对焊接模拟件进行残余应力测量，并进行拉力试验。

具体地，拉力试验中，将焊接模拟件（包括悬架臂13和衬套管11）的两端固定在拉力试验机上，逐渐加载，直到焊缝91开裂，测量开裂时的焊缝开裂载荷。为使焊缝开裂载荷更精准，可以选择多个相同的焊接模拟件重复测量，取其平均值。具体测量结果如下表1所示，焊缝91的焊缝断裂载荷可以确定为74KN（千牛）。

表1 拉力试验

试样编号	1	2	3	平均值
					焊缝断裂载荷/KN	84	70	68	74

残余应力测量中，例如，如图6所示，在悬架臂13的指定位置贴多片应变片81、82、83，应变片81、82、83之间的角度差为135°，通过在应变片的中间钻孔131，释放焊接形成焊缝91时产生的残余应力。通过测量悬架臂13上的应变的变化得到焊缝周围测量点的应力。具体测量结果如下表2所示，其中，ε₀为应变片81测试的应变，ε₄₅为应变片83测试的应变，ε₉₀为应变片82测试的应变，σ_x为垂直焊缝91方向的主应力，σ_y为平行焊缝91方向的主应力，σ_x和σ_y可以通过残余应力计算公式计算得出。图7所示为主应力与σ_x、σ_y的关系示意图。具体地，可以通过以下方法计算σ_x和σ_y。

如图7所示，主应力σ₁、σ₂通过以下关系式（1）、（2）、（3）计算：

（1）

（2）

（3）

注明：代入的时候要注意单位换算，弹性模量的单位是GPa，所测得的应变的数量级为10^-6。

σ_x、σ_y应力通过以下关系式（4）和（5）计算：

（4）

（5）

其中，关系式（1）、（2）中的A、B是应变释放系数；根据文献《盲孔法测量残余应力A、B系数计算公式讨论》可知在不同材料上测量影响A、B系数的因素就只有泊松比ν这个参数，并且得出了计算盲孔应变释放系数的公式，通过与试验标定值进行对比，若ν从0.28到0.40，对A的影响是线性增大5%左右，对B的影响是呈线性减小2.5%左右，被测材料泊松比ν对A系数的影响大些，对B系数的影响小些。

最后计算得出如表2所示的残余应力结果。

表2残余应力测量

以上步骤S110至S130可以在生产现场调查完成，所以也通称为实际测量步骤。

进一步，步骤S210，对焊接模拟件应用三维立体单元建立CAE模型。

在该实施例中，采用对ANSYS^®软件模拟件进行CAE（计算机辅助工程）建模，具体可以采用三维体单元SOLID70建立有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）模型，如图8所示。同时通过采用移动热源，在FEA模型中建立温度场，应用单元生死法模拟实际焊缝91的焊接过程，模拟得到相应的测温点的模拟温度变化曲线。进一步，调整热源参数，使测温点的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线基本相符合。

图9所示为焊接模拟件的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线之间的匹配示意图，其中图9（a）为实际温度变化曲线，图9（b）为模拟温度变化曲线。可以通过至少调整热源参数，使图9（b）的模拟温度变化曲线与图9（a）的实际温度变化曲线（在步骤S110中测量得到）基本相一致。从而使CAE模型考虑了温度场的影响，模型更准确并反映实际情况。

在该步骤中，优选地，还进行在CAE模型（在该实施例中也称为ANSYS模型）中测量焊接模拟件的测量点的残余应力，该测量点与步骤S130的残余应力测量的测量点相对应，同样调整热源参数，将模拟得到的模拟残余应力与步骤S130测试得到的实测残余应力进行比对，使二者之间趋势一致, 数量级相同，即实现二者之间相符合，如图10所示。这样使模型相对准确地反映焊接导致的残余应力。

进一步，步骤S220，基于该CAE模型进行模拟拉力试验以获取其微观度断裂强度 σ_bw。

在该步骤中，在CAE模型中模拟拉力试验过程，当拉力施加到焊缝断裂载荷（例如74KN）时，焊缝与母材交界处出现最大应力800MPa，因此可以将800MPa作为本段焊缝（即焊接模拟件）的微观断裂强度σ_bw，即σ_bw =800MPa。也即模拟得出焊缝91的微观断裂强度σ_bw。

以上步骤S210和S220是对如图5所示的焊接模拟件进行CAE分析，其应用了FEA方法。

进一步，步骤S310，建立整个焊接工件的CAE模型。

将焊接模拟件的分析方法扩展应用到整个扭杆梁后桥，应用ANSYS^®软件，模拟得到整个扭杆梁后桥的CAE模型，按焊接工序调整热源参数，类似于步骤S210和图9，使每个焊缝的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线基本相符。

进一步，步骤S320，基于焊接模拟件的微观度断裂强度，得到各焊缝的微观断裂强度。

在该步骤中，根据扭杆梁后桥的各部件材料特性，应用插值法得到各材料对应部件的微观断裂强度，具体如以下表3所示。

表3 扭杆梁后桥的各部件的微观断裂强度

部件名称	断裂强度 /σ_b	微观硬化系数 /n	微观断裂强度 /σ_bw
				衬套管	383	1.6	383×1.60=612.8
悬架臂	459	1.53	459×1.53=702.3
				侧向支撑板	438	1.55	438×1.55=678.9
弹簧座	438	1.55	438×1.55=678.9
				减震器支架	438	1.55	438×1.55=678.9
轴支架加强板	480	1.51	480×1.51=724.8
				其他部件	550	1.45	550×1.45=800

进一步，步骤S330，基于焊接工件的CAE模型，模拟施加工作载荷，将工作载荷和残余应力合成以获取每个焊缝所承受的最大应力σ_max。

在该步骤中，在ANSYS的CAE模型中模拟施加扭杆梁后桥承受的工作载荷，从而则可以得到扭杆梁后桥承受的残余应力和工作载荷的合成载荷。经过分析，可以得到每个焊缝所承受的最大应力σ_max，具体如以下表4所示。

表4 扭杆梁后桥的各焊缝的最大应力σ_max值

其中，扭杆梁后桥具有Ⅰ工位、Ⅱ工位、Ⅲ工位、Ⅳ工位、Ⅴ工位等五个焊接工位，Ⅰ工位有11条焊缝，Ⅱ工位有5条焊缝，Ⅲ工位有3条焊缝，Ⅳ工位有六条焊缝，Ⅴ工位有4条焊缝。但是，焊接工位的数量、焊缝的数量等不是限制性的。

进一步，步骤S340，对每个焊缝，计算N= σ_bw /σ_max。具体N大小示例可见以下表6。

进一步，步骤S350，判断N是否落入相应的安全系数范围。

在该步骤中，根据焊缝的重要情况进行分类，设定不同种类焊缝的安全系数范围如下表5所示。

表5 焊缝安全系数范围

焊缝类型	安全系数范围
		重要工作焊缝	1.8≤N≤2.5
一般工作焊缝	1.4≤N<1.8
		联系焊缝	≮1.4

可以标定出每个焊缝的类型，从而可以判断其是否落入其对应的安全系数范围中。如果落入其中，这表示既定焊接方法形成的焊缝将满足强度要求、符合焊缝承载性能要求，则进入步骤S362，不对既定焊接方法进行改进；否则进入步骤S361。以下表6为该步骤的判断结果，其中被认定为“不安全”的焊缝（即未落入安全系数范围）被标识出。

表6 焊缝的安全校验

进一步，步骤S400，改进相应焊缝的既定焊接方法。

在该步骤中，改进相应焊缝的既定焊接方法以减小其最大应力σ_max，直至该焊缝的最小安全系数N落入该焊缝对应的安全系数范围。例如，在该实施例中，共有5个焊缝安全系数不满足要求，图11示意了扭杆梁后桥的焊缝安全系数不满足要求的5条焊缝的位置示意图，也即需要改进焊接方法的焊缝的位置示意图。

具体地，改进焊接方法可以从改变焊接顺序、改变焊接方向、增加或删除焊缝段、和/或改变焊缝截面尺寸等方面着手来效地降低这5个焊缝的应力水平，从而提高其最小安全系数。

至此，图1所示的焊接设计方法基本结束。以上实施例通过对典型的扭杆梁后桥的焊接进行研究，通过合理选择焊接模拟件进行试验检测，确定焊接模拟件FEA模型与实物焊接工件的实际温度变化曲线和残余应力水平相符，然后将该方法推广应用到整个扭杆梁后桥，分析扭杆梁后桥的焊缝承载性能，对某些焊缝的焊缝长度、截面尺寸和焊接方向等焊接参数进行优化，使扭杆梁后桥整体均满足规定的安全系数要求。在以上设计过程中，可以在有限元模型中对焊缝参数进行调试，容易替代实际的焊接调试过程，降低焊接调试时间，减少调试样件数量。并且模拟的模型能准确地反映焊接的残余应力，准确反映焊缝的应力水平，有利于针对性地提高某些焊缝安全系数。

需要理解是，经过以上的焊接设计方法是基于扭杆梁后桥进行示意说明的，本领域技术人员根据以上教导和/或启示，可以将该设计方法推广地应用至其他焊接工件的焊接设计方法中，以有效地提高其焊缝的承载性能。

以上例子主要说明了本发明的基于强度理论的焊接设计方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种基于强度理论的焊接设计方法，其特征在于，包括：

（1）实际测量步骤：

（1b）在所述焊接工件中确定焊缝作为焊接模拟件；

（1c）对所述焊接模拟件进行残余应力测量；

（2b）基于该CAE模型获取所述焊接模拟件的微观断裂强度；

（3）对整个焊接工件的CAE分析步骤：

（3b）根据焊接工件的各部件的材料特性并基于所述焊接模拟件的微观断裂强度，得到各焊缝的微观断裂强度；

（3c）基于所述焊接工件的CAE模型模拟施加工作载荷，至少将所述工作载荷和残余应力合成以获取每个焊缝所承受的最大应力；

（3d）每个焊缝的微观断裂强度除以最大应力得到该焊缝的最小安全系数；

（3e）判断每个焊缝的最小安全系数是否落入该焊缝对应的安全系数范围，如果判断为否，则不对所述既定焊接方法进行改进，如果判断为是，则进入步骤（4）；

（4）改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力，直至该焊缝的最小安全系数落入该焊缝对应的安全系数范围。

2.如权利要求1所述的焊接设计方法，其特征在于，

在所述步骤（1c）中，对所述焊接模拟件进行拉力试验以测量出所述焊接模拟件的焊缝开裂载荷；

在所述步骤（2b）中，基于该CAE模型进行模拟拉力试验，其中，设定拉力为所述焊缝开裂载荷时，模拟获取的焊接模拟件的应力即为所述焊接模拟件的微观断裂强度。

3.如权利要求1或2所述的焊接设计方法，其特征在于，在所述步骤（3b）中，应用插值法得到各焊缝的微观断裂强度。

4.如权利要求1至3中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，在建立CAE模型过程中，加入移动热源以建立所述焊接工件的温度场模型。

5.如权利要求1至4中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，所述CAE模型为有限元分析模型。

6.如权利要求1至5中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，所述焊接工件为汽车上的扭杆梁后桥。

7.如权利要求6所述的焊接设计方法，其特征在于，所述焊接模拟件为扭杆梁后桥的衬套管与悬架臂之间的焊缝。

8.如权利要求6所述的焊接设计方法，其特征在于，所述既定焊接方法采用二氧化碳气体保护焊。

9.如权利要求1至6中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，所述步骤（1c）中，残余应力测量采用应变片，在指定位点贴所述应变片，对所述应变片的中间钻孔以释放焊接时产生的残余应力，通过测量应变的变化得到所述指定点的残余应力。

10.如权利要求1至6中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，改进既定焊接方法包括改变焊接顺序、改变焊接方向、增加或删除焊缝段、和/或改变焊缝截面尺寸。