CN108334663A - 一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其包括以下步骤：1)建立与汽车空心稳定杆相吻合的三维几何模型；2)对三维几何模型进行网格划分；3)建立汽车空心稳定杆多层多道焊接过程中的温度场及应力应变场的耦合模型；4)完成汽车空心稳定杆热‑力材料参数及多层多道焊接热源和焊接路径的设定，并根据实际焊接情况加载初始条件和边界条件，使用数值模拟方法求解计算上述的热‑力耦合模型，并对所得结果进行分析判断。本发明的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，通过构建三维耦合模型，应用有限单元法建模与仿真研究，对焊接工艺进行优化，从而减少了工艺探索工作量，获得控制焊接残余应力与焊接变形的最优工艺。

Description

一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺

技术领域

本发明属于焊接仿真领域，特别涉及一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺。

背景技术

随着全球经济的蓬勃发展，人民生活水平逐渐提高，汽车作为典型代步工具日益普及，汽车行业在迅猛发展的同时也在积极研究汽车的安全性及乘坐的舒适性，而汽车稳定杆的主要作用是能够在汽车转弯时减少侧倾的发生。根据稳定杆在实际工作中的受力特点，可将其设计为空心稳定杆，获得30％～45％的减重效果，因此空心稳定杆成为目前稳定杆领域的研究热点。

汽车空心稳定杆通常由轴套、片簧和扭杆三部分焊接而成，具体为三种不同成分的弹簧钢。由于异种钢线膨胀系数存在差异，且焊缝区域受热不均匀和焊缝周围金属的约束，空心稳定杆在焊接过程中存在难以消除的应力与变形。因此焊接变形预测对焊接结构的生产与应用具有重要意义。然而传统的焊接变形预测依赖于实验和统计基础上的经验曲线或经验公式，这就导致在焊接变形预测过程中产生诸多干扰因素：包括复杂的焊接变形机理、材料物理数据高温波动、热力分析过程中的误差积累等，所以在空心稳定杆生产过程中，需进行反复的工艺探索实验，费时费力，且成本昂贵。因而需要对现有的空心稳定杆的焊接工艺进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术所述的汽车空心稳定杆焊接过程中采用的传统的焊接变形预测方法依赖于实验和统计基础上的经验曲线或经验公式，导致在焊接变形预测过程中产生诸多干扰因素，需进行反复的工艺探索实验，费时费力，且成本昂贵的问题，提供一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺。

实现本发明的目的技术方案如下：

一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其包括以下步骤：

1)在计算机三维建模软件中，根据汽车空心稳定杆的几何形状建立与实物相吻合的三维几何模型；

2)对上述建立的三维几何模型进行网格划分；

3)建立汽车空心稳定杆多层多道焊接过程中的温度场及应力应变场的耦合模型；因为焊接材料在变形过程中的温度变化会影响到材料的变形过程，材料的变形过程在很大程度上又会影响材料的温度分布，因此，只有将温度变化与变形过程耦合，才能真实地模拟焊接成形过程；

4)完成汽车空心稳定杆热-力材料参数及多层多道焊接热源和焊接路径的设定，并根据实际焊接情况加载相应的初始条件和边界条件，使用数值模拟方法求解计算上述的热-力耦合模型，从而得到焊接过程中汽车空心稳定杆多层多道焊温度场和应力场分布以及焊件的变形情况，并对所得结果进行分析判断，如果所得结果合理即获得最佳焊接工艺，如果所得结果不合理，则要调整焊接工艺参数，重新执行步骤3和步骤4，直到获得最佳焊接工艺。

更优选的方案是，步骤4中所述的热-力材料参数包括材料的热传导系数、热膨胀系数、比热容、弹性模量、屈服强度和抗拉强度，为了保证模拟结果的准确性，必须导入随温度变化的材料参数曲线。

更优选的方案是，步骤4中在对焊接路径进行设定时，包括热源路径的加载和填充金属路径的加载，热源路径采用节点加载，描述热源在全路径上的移动；熔深方向，即焊枪指向方向，采用矢量方式，用矢量指向来描述焊枪的指向。

更优选的方案是，步骤1中，进行汽车空心稳定杆三维几何建模时，对焊缝所处空间区域进行层数划分。

更优选的方案是，步骤2中，所述的网格划分采用疏密过渡的方式：焊缝和靠近焊缝的区域采用密网格，网格尺寸小；远离焊缝的区域采用疏网格，网格尺寸大。

更优选的方案是，在步骤4求解计算所述的热-力耦合模型前，将完成网格划分的汽车空心稳定杆有限元模型导入相关的数值模拟软件中，赋予相应的材料属性并加载相应的初始条件和边界条件。

更优选的方案是，在步骤4对热-力耦合模型进行求解计算时，对多层焊缝焊接过程的模拟采用生死单元技术进行分析，具体地，在焊接开始前，焊缝处的单元处于死(未激活)状态，随着焊接的进行，依次激活单元，并施加相应的焊缝材料温度参数。

更优选的方案是，步骤4中所述的初始条件和边界条件包括进行温度场计算的热初始条件和热边界条件以及进行应力应变计算的力学初始条件和力学边界条件。

更优选的方案是，在进行热初始条件和热边界条件加载时，热初始条件按实际焊接环境加载，热边界条件的焊接热源模型采用双椭球体热源模型。

更优选的方案是，在进行力学初始条件和力学边界条件加载时，按照实际焊接中焊件的工装进行加载。

本发明的有益效果如下：本发明的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，通过构建汽车空心稳定杆多层多道焊接温度场及应力应变场的三维耦合模型，应用了有限单元法开展汽车空心稳定杆多层多道焊接过程的建模与仿真研究，应用计算机数值模拟技术开展焊接接头应力分析和计算，获得控制焊接残余应力与焊接变形的最优工艺。

焊接数值模拟可以通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析，实现对复杂焊接现象的模拟，根据空心稳定杆多层多道焊接现象及过程的数值模拟，可以进行工艺设计的优化，从而减少工艺探索实验工作量，提高焊接接头的质量，对空心稳定杆焊接工艺的发展提供了一条十分便捷高效的通道。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为汽车空心稳定杆片簧与轴套半连接部分的三维几何模型与多层多道焊原理图；

图3为图2的截面图；

图4为汽车空心稳定杆片簧与轴套半连接部分三维几何模型的网格造型图；

图5为图4的截面图；

图6为焊接路径示意图；

图7为图6中局部放大示意图；

图8为汽车空心稳定杆片簧与轴套半连接部分焊后各位置的变形分布情况及总体变形情况示意图；

图9为图8的截面图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，包括步骤如下：

根据汽车空心稳定杆的几何形状建立与实际相吻合的三维几何模型；具体地，在三维建模软件中进行建模时，需综合考虑多层多道焊的坡口设计及焊缝的层数划分。

对上述建立的三维几何模型进行网格划分；具体地，网格的划分关系到求解计算的精度与效率，网格划分得越细，计算精度越高，所花费的计算时间越长；反之，计算精度变低，所花费的时间越短。网格划分的原则是在保持计算精度的同时尽量减少计算单元的数量。综合考虑，采用疏密网格过渡的方法进行网格划分以提高计算效率，即焊缝和靠近焊缝的区域采用尺寸较小的网格，远离焊缝的区域采用较大尺寸的网格。

建立汽车空心稳定杆多层多道焊接过程的温度场及应力应变场的耦合模型；具体地，焊接材料在变形过程中的温度变化会影响到材料的变形过程，材料的变形过程在很大程度上又会影响材料的温度分布。因此，只有将温度变化与变形过程耦合，才能真实地模拟焊接成形过程。

完成汽车空心稳定杆热-力材料参数及多层多道焊接热源和路径的设定；具体地，在对热-力材料参数进行设定时，包括材料的热传导系数、热膨胀系数、比热容、弹性模量、屈服强度、抗拉强度等。为了保证模拟结果的准确性，必须导入随温度变化的材料参数曲线；在对焊接路径进行设定时，包括热源路径的加载与填充金属路径的加载。路径的加载采用节点和矢量相结合的方式。对于热源移动方向的路径，采用节点加载即可描述热源在全路径上的移动；熔深方向，即焊枪指向方向，采用矢量方式，用矢量指向来描述焊枪的指向。

根据实际焊接情况加载相应的初始条件和边界条件；具体地，加载热-力初始条件及力边界条件时，按照实际焊接的环境以及工装情况进行加载；加载热边界条件时，热源模型采用双椭球体热源模型。

在对热-力耦合模型进行求解计算时，对多层焊缝焊接过程的模拟采用生死单元技术进行分析；具体地，在焊接开始前，焊缝处的单元处于死(未激活)状态，随着焊接的进行，依次激活单元，施加焊缝材料温度。

将上述加载的空心稳定杆多层多道焊模型进行求解计算，得到相应的温度场及变形情况，并对所得结果进行分析判断；具体地，如果所得结果满足对焊接质量的要求，就可确定满足焊接要求的焊接工艺，否则，便要重新求解计算，通过改变焊接工艺参数、调整焊接热源路径及重新设计焊接层数的方法得到新的计算结果，从而达到优化焊接工艺的目的。

下面结合附图中的实例说明本发明的具体实施过程，参见图2-图9。

图2为利用计算机三维建模软件建立的空心稳定杆片簧与轴套半连接部分三维几何模型，轴套规格为：半径42.5mm，厚13mm，宽60mm，片簧规格为：钝边1.5mm，宽4.5mm，长15mm，焊接坡口为单边坡口，角度为60°，片簧和轴套连接处焊缝为环焊缝。图3为图2截面图，焊接层数设计为2层。

图4为所设计几何模型的网格划分情况，图5为图4的截面图。运用专业网格划分软件HyperMesh，尽量优化焊缝及焊缝附近部位的网格。具体为：焊缝及焊缝附近网格尺寸较小，单元规格为0.8mm×0.8mm×3mm，远离焊缝的区域网格尺寸较大，单元规格为2mm×2mm×5mm，两种网格之间实行疏密过渡，单元总数为19140，单元类型以六面体单元为主。

焊接热源采用双椭球热源，焊接热源在焊接过程中的加载路径如图6和图7所示，Z方向为焊接方向，X方向为电弧方向，两方向互相垂直。

通过数值模拟软件MARC求解计算后的温度场及应力应变场，可以定量地分析每层焊接时温度场及应力场分布情况，利用该结果可以获得空心稳定杆片簧与轴套半连接部分焊接过程中熔池的最高温度、熔池尺寸、变形情况等参量，可以更直观地了解焊接过程中焊缝的填充过程以及焊接热源的运动情况。

图8为焊接结束后，空心稳定杆片簧与轴套半连接部分焊接各区域的变形程度分布情况。图9为图8的截面图，从图9中可以看出，距离焊缝越远的区域变形越严重。通过分析焊接工艺参数对于焊接变形的影响，进一步优化空心稳定杆的焊接工艺，从而得到了高质量的焊接结构。

上述过程仅对于汽车空心稳定杆的片簧与轴套半连接部分焊接，其他部分焊接与此相似，将不再赘述。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的几个优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于，其包括以下步骤：

1)在计算机三维建模软件中，根据汽车空心稳定杆的几何形状建立与实物相吻合的三维几何模型；

2)对上述建立的三维几何模型进行网格划分；

3)建立汽车空心稳定杆多层多道焊接过程中的温度场及应力应变场的耦合模型；因为焊接材料在变形过程中的温度变化会影响到材料的变形过程，材料的变形过程在很大程度上又会影响材料的温度分布，因此，只有将温度变化与变形过程耦合，才能真实地模拟焊接成形过程；

4)完成汽车空心稳定杆热-力材料参数及多层多道焊接热源和焊接路径的设定，并根据实际焊接情况加载相应的初始条件和边界条件，使用数值模拟方法求解计算上述的热-力耦合模型，从而得到焊接过程中汽车空心稳定杆多层多道焊温度场和应力场分布以及焊件的变形情况，并对所得结果进行分析判断，如果所得结果合理即获得最佳焊接工艺，如果所得结果不合理，则要调整焊接工艺参数，重新执行步骤3和步骤4，直到获得最佳焊接工艺。

2.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：步骤4中所述的热-力材料参数包括材料的热传导系数、热膨胀系数、比热容、弹性模量、屈服强度和抗拉强度，为了保证模拟结果的准确性，必须导入随温度变化的材料参数曲线。

3.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：步骤4中在对焊接路径进行设定时，包括热源路径的加载和填充金属路径的加载，热源路径采用节点加载，描述热源在全路径上的移动；熔深方向，即焊枪指向方向，采用矢量方式，用矢量指向来描述焊枪的指向。

4.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：步骤1中，进行汽车空心稳定杆三维几何建模时，对焊缝所处空间区域进行层数划分。

5.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：步骤2中，所述的网格划分采用疏密过渡的方式：焊缝和靠近焊缝的区域采用密网格，网格尺寸小；远离焊缝的区域采用疏网格，网格尺寸大。

6.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：在步骤4求解计算所述的热-力耦合模型前，将完成网格划分的汽车空心稳定杆有限元模型导入相关的数值模拟软件中，赋予相应的材料属性并加载相应的初始条件和边界条件。

7.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：在步骤4对热-力耦合模型进行求解计算时，对多层焊缝焊接过程的模拟采用生死单元技术进行分析，具体地，在焊接开始前，焊缝处的单元处于死(未激活)状态，随着焊接的进行，依次激活单元，并施加相应的焊缝材料温度参数。

8.根据权利要求1所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：步骤4中所述的初始条件和边界条件包括进行温度场计算的热初始条件和热边界条件以及进行应力应变计算的力学初始条件和力学边界条件。

9.根据权利要求8所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：在进行热初始条件和热边界条件加载时，热初始条件按实际焊接环境加载，热边界条件的焊接热源模型采用双椭球体热源模型。

10.根据权利要求8所述的面向精确变形控制的汽车空心稳定杆多层多道焊工艺，其特征在于：在进行力学初始条件和力学边界条件加载时，按照实际焊接中焊件的工装进行加载。