CN104573314B - 一种预测多层焊焊接变形的方法 - Google Patents
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Abstract
一种预测多层焊焊接变形的方法，先假设构件焊接后的固有应变与焊接线能量存在着函数关系，并基于初步实验结果找出函数关系中的未知参数，再利用这种函数关系和各层焊接时所消耗的焊条数量来计算每层焊后的固有应变，然后根据每层焊接后求得的固有应变数据得到总的固有应变，最后再通过固有应变有限元法算出构件在多层焊后的焊接变形。本发明是在准确预测了构件在多层焊后的固有应变后再进行固有应变有限元法计算，因而能更准确地预测构件在多层焊后的焊接变形。
Description
技术领域
本发明主要涉及焊接仿真技术领域，尤其涉及一种预测多层焊的焊接变形的方法。
背景技术
传统对焊接变形的预测基于经验公式或简单的解析方法，但经验公式或简单的解析方法只适用于较简单的构件焊接情况，而不适用于实际工程中多数较复杂的焊接结构。而随着现代工业和计算机技术的迅速发展，采用数值模拟对焊接变形和残余应力进行预测和控制，从而选择最佳工艺参数和组装顺序，已成为目前国内外发展的重要方向。
在对构件进行焊接的过程中，由于焊缝及其附近因外部的热输入，同时受到周围温度较低金属的约束，当中会产生塑性应变、热应变和相变应变等，冷却后残余应变就决定了最终的残余应力和变形。焊接问题的固有应变是塑性应变、热应变和相变应变三者之和，可以认为焊接固有应变仅存在于焊缝及其附近。若已知焊接后焊缝及其附近的固有应变，则可通过弹性有限元法分析计算出焊接后构件的变形。在现有的构件焊接过程中，常有多层焊的情况，如图1-图4所示，图1为焊接固有应变施加区域B的示意图，固有应变施加区域B是指焊接时产生固有应变的区域，图2为构件焊接前的结构示意图，图3是构件一层焊的结构示意图，构件A1与构件A2间成型有第一层焊缝，图4是构件多层焊的结构示意图，构件A1与构件A2之间成型有第一层焊缝(截面积为s1)、第二层焊缝(截面积为s2)……第n层焊缝(截面积sn)，而对于多层焊的焊接变形计算，现有的方法大多没有考虑焊接过程对每层焊缝的截面积的影响，直接用单层焊时的固有应变乘以某一系数得到总的固有应变，因而得到的结果精度不够高。
发明内容
本发明提供了一种预测多层焊的焊接变形的方法，该方法可更精确地预测多层焊焊接的总体变形。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种预测多层焊焊接变形的方法，该方法用于预测构件在n层焊焊接后的焊接变形，其中n≥2，n∈Z，包括以下步骤：
A.假设构件在第i层焊接后的固有应变εi、第i()层焊的焊接线能量Qi存在以下关系，其中n≥i≥1，i∈Z：
其中，为连续光滑函数，si为第i层焊缝的截面积，k为相关系数；
B.设定的具体表达式：
进而得到的具体表达式：
其中，εx,i和εy,i分别为构件在第i层焊接后的纵向固有应变和横向固有应变；si为第i层焊缝的截面积；Qi为第i层焊的焊接线能量；为相关系数，与焊接构件的材料有关；εs为构件材料屈服应变；α、c、ρ分别为构件的线膨胀系数、比热、密度；sai为第i层焊的焊接固有应变施加区域B的截面积；
C.测量得到构件焊接前焊缝的长度l0，然后测量得到构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积s1，同时记录构件在第一层焊接后消耗的焊条数x1；
D.将构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积s1代入步骤B中设定的的具体表达式中，求得相关系数k的取值，将相关系数k的取值代入步骤B中得到的的具体表达式中，形成第一表达式；
E.根据步骤C测得的构件在第一层焊接后的固有应变构件焊接前焊缝的长度l0、第一层焊缝的截面积s1和构件在第一层焊接后消耗的焊条数x1求得单位焊条的填充焊缝的体积v0；
F.在相同的焊接条件下，通过以下方法求得第2至n层的固有应变至当n≥i≥2时，对于第i层焊接后的固有应变记录构件在第i层焊接后消耗的焊条数xi，再联合构件焊接前焊缝的长度l0、构件在第1至i-1层焊接后的固有应变至单位焊条的填充焊缝的体积v0和步骤D中得到的第一表达式可求得第i层焊缝的截面积si和构件在第i层焊接后的固有应变
G.根据前述步骤求得的构件在第1至n层焊接后的固有应变至可求得n层焊接后总的固有应变
H.根据步骤G求得的n层焊接后总的固有应变利用固有应变有限元法求得构件在n层焊接后的焊接变形。
由上述方法可知，其只需测量构件焊接前焊缝的长度、构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积，再根据每层焊接时所消耗的焊条数精确地预测出多层焊接后的焊接变形，过程简单，且结果较为精确。
本发明所带来的有益效果有：
1.提高预测多层焊焊接的总体变形的精度，结果较为精确；
2.仅需事先得知构件第一层焊接时的变形情况及焊条使用情况，以后就可根据每层焊接时所消耗的焊条数，精确地预测出各种焊缝情况下多层焊的焊后变形，过程简单，便于实现。
附图说明
图1为焊接固有应变施加区域的示意图；
图2为焊接前各构件的结构示意图；
图3为构件一层焊的结构示意图；
图4为构件多层焊的结构示意图；
附图标记：A1、构件；A2、构件；s1、第一层焊缝的截面积；s2、第二层焊缝的截面积；s3、第三层焊缝的截面积；sn-1、第n-1层焊缝的截面积；sn、第n层焊缝的截面积。
具体实施方式
本发明有关一种多层焊的焊接变形的预测方法，该方法用于预测构件在n(n≥2,n∈Z)层焊焊接后的焊接变形，包括以下步骤：
A.假设构件在第i层焊后的固有应变εi、第i(n≥i≥1,)层焊的焊接线能量Qi存在以下关系：
其中为连续光滑函数，si为第i层焊缝的截面积，k为相关系数。
B.设定的具体表达式，进而得到的具体表达式；本实施例中，将设定为：
将式(2)代入式(1)，可得的具体表达式：
其中，εx,i和εy,i分别为构件在第i层焊接后的纵向固有应变和横向固有应变；si为第i层焊缝的截面积；Qi为第i层焊的焊接线能量；为相关系数，与焊接构件的材料有关；εs为构件材料屈服应变；α、c、ρ分别为构件的线膨胀系数、比热、密度，它们均为已知常数，构件可依需要选用各种材料，本实施例中，构件采用焊接材料AH36高强度钢，其相关参数分别为α＝0.00001、c＝490J/kg/℃、ρ＝0.00000782kg/mm3、Q1＝508J/mm、εs＝0.002；sai为第i层焊的焊接固有应变施加区域B的截面积，本实施例中，n取3，三层焊的焊接固有应变施加区域B分别取：sa1＝10mm*6mm；sa2＝20mm*6mm；sa3＝20mm*6mm；
C.测量得到构件焊接前焊缝的长度l0，然后测量得到构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积s1，同时记录构件在第一层焊接后消耗的焊条数x1；本实施例中，测得构件焊接前焊缝的长度l0＝500mm，构件在第一层焊接后的固有应变第一层焊缝的截面积s1＝18.85mm2，记录第一层焊接后消耗的焊条数x1＝1.4；
D.将构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积s1代入步骤B中设定的的具体表达式中，求得相关系数k的取值，将相关系数k的取值代入步骤B中得到的的具体表达式中，形成第一表达式；具体过程为：将和s1＝18.85mm2代入式(3)中，由于已知α＝0.00001、c＝490J/kg/℃、ρ＝0.00000782kg/mm3、Q1＝508J/mm、εs＝0.002、sa1＝10mm*6mm，因而可求得相关系数k为：
将式(4)代入式(3)中，形成第一表达式；
E.根据步骤C测得的构件在第一层焊接后的固有应变构件焊接前焊缝的长度l0、第一层焊缝的截面积s1和构件在第一层焊接后消耗的焊条数x1求得单位焊条的填充焊缝的体积v0；根据材料力学应变的定义ε＝(L-L0)/L0，式中L为构件变形后的长度，L0为构件变形前的长度，本实施例中，由于构件焊接前焊缝的长度l0、第i层焊接后焊缝的长度li均沿x轴方向设置，因而可得到第一层焊接后焊缝的长度l1＝(1+εx,1)l0，由l0＝500mm、εx,1＝0.000189189、s1＝18.85mm2、x1＝1.4可求得单位焊条的填充焊缝的体积v0为：
F.在相同的焊接条件下，通过以下方法求得第2至n层的固有应变至当n≥i≥2时，对于第i层焊接后的固有应变记录构件在第i层焊接后消耗的焊条数xi，再联合构件焊接前焊缝的长度l0、构件在第1至i-1层焊接后的固有应变至单位焊条的填充焊缝的体积v0和步骤D中得到的第一表达式可求得第i层焊缝的截面积si和构件在第i层焊接后的固有应变本实施例中，n＝3，已知，还需求和在相同焊接条件下，记录构件在第二层焊接后消耗的焊条数x2＝4.3，构件在第二层焊后焊缝的长度l2＝(1+εx,2)(1+εx,1)l0，则有：
v0*x2＝l2*s2＝(1+εx,2)(1+εx,1)l0*s2 (6)
由于x2＝4.3、l0＝500mm、v0＝6755.7mm3，联立第一表达式和式(6)，可求得第二层焊缝的截面积s2和构件在第二层焊接后的固有应变为：
同样地，在相同焊接条件下，记录构件在第三层焊接后消耗的焊条数x3＝12.6，构件在第三层焊后焊缝的长度l3＝(1+εx,3)(1+εx,2)(1+εx,1)l0，则有：
v0*x3＝l3*s3＝(1+εx,3)(1+εx,2)(1+εx,1)l0*s3 (8)
由于x3＝12.6、l0＝500mm、v0＝6755.7mm3，联立第一表达式和式(8)，可求得第三层焊缝的截面积s3和构件在第三层焊接后的固有应变为：
G.根据前述步骤求得的构件在第1至n层焊接后的固有应变至可求得n层焊接后总的固有应变具体为：由递推关系ln＝(1+εx,n)ln-1即可求得：
本实施例中，n＝3、 代入式(10)，可以求得三层焊接后总的固有应变为：
H.根据步骤G求得的n层焊接后总的固有应变利用固有应变有限元法求得构件在n层焊接后的焊接变形；本实施例中，即可求得构件在三层焊接后的焊接变形。
本实施例预测得到的是构件在三层焊接后的焊接变形，需要说明的是，在构件为相同材料且相同的焊接条件下的前提下，均可通过上述方法预测得到构件在n(n≥2,n∈Z)层焊焊接后的焊接变形。
本发明所提供的技术方案只需事先得到构件第一次焊接时构件的变形情况及焊条使用情况，以后就可根据各层焊接时所消耗的焊条数量，精确地预测出各种焊缝情况下多层焊的焊后变形，过程简单，且结果较为精确。
上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (1)
1.一种预测多层焊焊接变形的方法，其特征在于：该方法用于预测构件在n层焊焊接后的焊接变形，其中n≥2，n∈Z，包括以下步骤：
A.假设构件在第i层焊接后的固有应变εi、第i层焊的焊接线能量Qi存在以下关系，其中n≥i≥1，i∈Z：
其中，为连续光滑函数，si为第i层焊缝的截面积，k为相关系数；
B.设定的具体表达式：
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其中，εx,i和εy,i分别为构件在第i层焊接后的纵向固有应变和横向固有应变；si为第i层焊缝的截面积；Qi为第i层焊的焊接线能量；为相关系数，与焊接构件的材料有关；εs为构件材料屈服应变；α、c、ρ分别为构件的线膨胀系数、比热、密度；sai为第i层焊的焊接固有应变施加区域B的截面积；
C.测量得到构件焊接前焊缝的长度l0，然后测量得到构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积s1，同时记录构件在第一层焊接后消耗的焊条数x1；
D.将构件在第一层焊接后的固有应变和第一层焊缝的截面积s1代入步骤B中设定的的具体表达式中，求得相关系数k的取值，将相关系数k的取值代入步骤B中得到的的具体表达式中，形成第一表达式；
E.根据步骤C测得的构件在第一层焊接后的固有应变构件焊接前焊缝的长度l0、第一层焊缝的截面积s1和构件在第一层焊接后消耗的焊条数x1求得单位焊条的填充焊缝的体积v0；
F.在相同的焊接条件下，通过以下方法求得第2至n层的固有应变至当n≥i≥2时，对于第i层焊接后的固有应变根据构件在第i层焊接后消耗的焊条数xi、构件焊接前焊缝的长度l0、构件在第1至i-1层焊接后的固有应变至单位焊条的填充焊缝的体积v0和步骤D中得到的第一表达式可求得第i层焊缝的截面积si和构件在第i层焊接后的固有应变
G.根据前述步骤求得的构件在第1至n层焊接后的固有应变至可求得n层焊接后总的固有应变
H.根据步骤G求得的n层焊接后总的固有应变利用固有应变有限元法求得构件在n层焊接后的焊接变形。
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2014
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Patent Citations (3)
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