CN107220410A - 参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接领域，公开了一种参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，建立焊接接头焊接过程的仿真模型；选定母材材料的多个性能参数，依次实验获取各个性能参数的参量；分别以各个性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型；重新实验获取敏感度最高的性能参数的参量，以该性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型；对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数，形成闭环分析。本发明能够构建核心焊接仿真数据库和提高焊接仿真可靠性，减少测试试验成本。

Description

参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种热物理、热力学参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法。
背景技术
通过查阅教科书或参考文献得知，很多外在特征主要受材料单项性能变化的影响：低碳钢焊件纵向焊接残余应力峰值呈现单峰分布特征，而且单峰峰值接近材料屈服极限；铝合金平板中纵向残余应力峰值比其屈服极限低，呈现双峰分布特征；铝合金焊件纵向残余应力峰值约为屈服极限的0.5～0.8倍的主要原因是铝合金材料的热导率高；线膨胀系数是影响铝合金焊接横向收缩的主要原因；焊缝和近缝区金属在力学熔点及以下温度冷却收缩受阻是形成焊接残余应力产生的根本原因。通过对碳钢焊接残余应力场进行测量，发现低碳钢焊接件中纵向焊接残余应力峰值与其屈服极限接近，而铝、钛合金等金属纵向残余应力峰值则低于屈服强度；通过切条释放法和实验室研制的超声波测量系统对薄板铝合金平板焊件中纵向残余应力进行测量，以及参阅其它文献，均证实在一般情况下铝合金焊件纵向残余应力峰值比其屈服极限低。
由于焊接热过程的复杂性，不能通过简单的数学计算和试验测量来获得残余应力和变形的演变过程，更无法获知各材料性能影响的程度。目前工程上焊接变形仿真已应用广泛，但针对残余应力分布等内在关系的模拟仿真因其数学模型复杂、见效慢等问题仍未受到普遍重视。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，以解决针对残余应力分布等内在关系的模拟仿真因其数学模型复杂、见效慢等问题仍未受到普遍重视的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其包括如下步骤：
步骤1：利用有限元法建立焊接接头焊接过程的仿真模型；
步骤2：选定母材材料的多个性能参数，依次实验获取各个性能参数的参量；
步骤3：分别以各个性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型，获得该性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线；
步骤4：对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数；
步骤5：重新实验获取敏感度最高的性能参数的参量，以该性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型，获得该性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，并替换上一次仿真获取的双峰特性曲线；
步骤6：对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数；
若步骤6中确定的敏感度最高的性能参数与上一次确定的敏感度最高的性能参数不相同，则继续执行步骤5和6；
步骤7：将步骤6中确定得到的敏感度最高的性能参数代入步骤1的仿真模型中，形成闭环分析
其中，步骤2中，母材材料的参量包括力学熔点、比热容、热导率、线膨胀量、弹性模量、泊松比和屈服强度中的多项或者全部。
其中，所述双峰特性曲线包括X、Y、Z方向的焊接变形及纵向残余应力分布曲线。
其中，步骤3中，纵向残余应力包括纵向拉应力和纵向压应力。
其中，步骤2中，所述母材材料为铝合金。
其中，步骤5中，实验时通过小孔法或X射线法实测焊接接头的焊接残余应力，通过卷尺或样板实测其焊接变形。
其中，所述仿真模型包括：几何形貌、焊接热输入、夹具约束中的一种或者多种数学物理模型。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，此方法基于WPS(焊接工艺规范)获取了各参量对焊接残余应力及变形影响敏感度，根据各参量影响特点，进而可仅对影响较大的参量进行重点测试，修正测试大纲后实测材料性能，构建核心焊接仿真数据库和提高焊接仿真可靠性的同时，减少了测试试验成本。
此方法打破了原有通过简单的数学计算和试验测量来获得残余应力和变形的演变过程，由原来的定性分析各参量影响变为定量分析各参量影响，且通过实测和理论验证，形成了有效的分析闭环，可靠性较高。
此方法充分考虑了各影响参量的完整性、可分析性和设置合理性，完善了数学模型的工程应用价值，有效地反映出焊接过程中应力应变的演变历程和规律，更有效的利用数值模拟技术来解决焊接结构应力及焊接变形问题。
此方法通过开源有限元法很容易实现，可在参数敏感性分析、仿真模型评定等场合加以推广。
附图说明
图1为本发明一种参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法的获取流程图；
图2为本发明实施例各参量对铝合金焊接残余应力及变形影响敏感度的柱状示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种热物理、热力学参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，本发明的实施例中，以铝合金作为母材材料，其包括如下步骤：
步骤1：利用有限元法基于WPS(焊接工艺规范)的数据特征建立焊接接头焊接过程的仿真模型，仿真模型具体可以包括几何形貌、焊接热输入、夹具约束中的一种或者多种数学物理模型；
步骤2：选定母材材料的多个性能参数，依次实验获取各个性能参数的参量，理论假设母材材料的其他参量不变，母材材料的一个参量各单项性能由实测材料性能的设定差值范围依次变化，其中，母材材料的参量包括力学熔点、比热容、热导率、线膨胀量、弹性模量、泊松比和屈服强度等，例如，可以先假设母材材料的比热容、热导率、线膨胀量、弹性模量、泊松比和屈服强度的各项性能不变，力学熔点由80％、90％、100％(实测材料性能)、110％、120％依次变化，其他参量以此类推；
步骤3：分别以各个性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型，获得该性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，双峰特性曲线包括X(横向)、Y(纵向)、Z(垂向)方向的焊接变形及纵向残余应力分布曲线，其中，纵向残余应力具体包括纵向拉应力和纵向压应力；
步骤4：对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数即双峰特性变化曲线变化度最快对应的性能参数，例如，如图2所示，柱形图中依次示出了右侧各参量对铝合金焊接变形、纵向残余应力分布双峰特征的影响程度，铝合金纵向残余拉应力影响较大的性能由大到小依次有：力学熔点(24.29％)、线膨胀系数(10.84％)，对铝合金纵向残余压应力影响较大的性能由大到小依次有：泊松比(90.90％)，弹性模量(50.54％)、线膨胀系数(47.85％)和力学熔点(38.76％)，使铝合金焊接纵向残余应力双峰效应增强的性能由大到小依次有：力学熔点、热导率和泊松比；
步骤5：重新实验获取敏感度最高的性能参数的参量，以该性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型，获得该性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，并替换上一次仿真获取的双峰特性曲线，实验时通过小孔法、X射线法等实测焊接结构残余应力，通过卷尺、样板等实测其焊接变形，进行实测验证；
步骤6：对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数，修正材料热物理及热力学性能测试大纲，对影响较大的参量重点进行检测，并得到更饱满的数据；
若步骤6中确定的敏感度最高的性能参数与上一次确定的敏感度最高的性能参数不相同，则继续执行步骤5和6；
步骤7：将步骤6中确定得到的敏感度最高的性能参数代入步骤1的仿真模型中，形成闭环分析。
当经过多个闭环分析后，得到稳健的规律性结论，最终得出可靠的影响规律，确定出各参量对焊接残余应力及变形影响敏感度。
由以上实施例可以看出，本发明采用数值模拟技术和实验测量相结合，分析典型焊接接头焊接残余应力和变形，针对焊接残余应力分布内在关联性问题，利用有限元法建立焊接接头的数学物理模型，采用热弹塑性法进行焊接仿真分析，保证接头结构参数和焊接参数一致的情况下，当假设母材材料的其他参量不变，材料性能在实测材料性能前后小范围变化时，分别输出纵向残余应力分布特征，即可总结材料性能的影响规律。
建立精确的材料模型是数值模拟精确建模工作的重要组成部分。本方法预利用铝合金热物理和热力学性能参数的实测和理论假设，通过计算机仿真获知其影响焊接残余应力和变形的共性规律，并实测残余应力及变形、经验公式和理论分析同步验证仿真结果的准确性，经反复的循环分析后，得到稳健的分析结论:热物理性能中的比热容对焊接变形影响较大，热力学性能中的力学熔点、线膨胀系数和泊松比对焊接残余应力影响较大。进而仅对影响较大的参量进行重点测试，构建核心焊接仿真数据库，从而提高焊接仿真可靠性，减少测试试验成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用有限元法建立焊接接头焊接过程的仿真模型；
步骤2：选定母材材料的多个性能参数，依次实验获取各个性能参数的参量；
步骤3：分别以各个性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型，获得该性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线；
步骤4：对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数；
步骤5：重新实验获取敏感度最高的性能参数的参量，以该性能参数的参量为基准，取该参量的设定差值范围内的多个不同参量数值依次输入仿真模型，获得该性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，并替换上一次仿真获取的双峰特性曲线；
步骤6：对比各个性能参数的参量变化对应的双峰特性曲线，确定敏感度最高的性能参数；
若步骤6中确定的敏感度最高的性能参数与上一次确定的敏感度最高的性能参数不相同，则继续执行步骤5和6；
步骤7：将步骤6中确定得到的敏感度最高的性能参数代入步骤1的仿真模型中，形成闭环分析。
2.根据权利要求1所述的参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，步骤2中，母材材料的参量包括力学熔点、比热容、热导率、线膨胀量、弹性模量、泊松比和屈服强度中的多项或者全部。
3.根据权利要求1所述的参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，所述双峰特性曲线包括X、Y、Z方向的焊接变形及纵向残余应力分布曲线。
4.根据权利要求3所述的参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，步骤3中，纵向残余应力包括纵向拉应力和纵向压应力。
5.根据权利要求1所述的参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，步骤2中，所述母材材料为铝合金。
6.根据权利要求1所述的参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，步骤5中，实验时通过小孔法或X射线法实测焊接接头的焊接残余应力，通过卷尺或样板实测其焊接变形。
7.根据权利要求1所述的参量对焊接残余应力及变形影响敏感度获取方法，其特征在于，所述仿真模型包括：几何形貌、焊接热输入、夹具约束中的一种或者多种数学物理模型。
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