CN108536968A - 一种焊接过程中的应力与变形的调控方法 - Google Patents

一种焊接过程中的应力与变形的调控方法 Download PDF

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吴永钢
徐兵
张玉何
姚映青
凌铃
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Abstract

本发明公开了一种焊接过程中的应力与变形的调控方法，包括以下步骤：在计算机上建立带焊接部件的几何模型，并对模型的材料和焊接条件进行定义；按照几何模型和焊接条件进行实际现场焊接，并对温度场和应力场数据进行采样；根据计算机模型模拟并计算焊接温度场；将计算机模拟温度场与现场焊接测量进行对比；将计算机模型中热‑应力耦合分析单元转化为结构单元，并定义力学性能参数；对计算机模型的约束条件进行定义；读入温度场结果并计算该计算机模型焊接的应力场；与现场焊接测量的应力场进行对比，判断计算机模型计算是否准确；根据计算机模型，输出应力和变形结果。本发明在焊接前对应力与变形的分析和调整，从而制定合理有效的焊接工艺。

Description

一种焊接过程中的应力与变形的调控方法
技术领域
本发明涉及焊接调控方法，尤其涉及一种焊接过程中的应力与变形的调控方法。
背景技术
在焊接过程中，由于焊接热效应的存在，不可避免地会产生焊接残余应力和变形。在目前实际生产中，人们仅凭借经验或通过实验来获得可靠而经济的焊接结构，不仅要花费了大量的时间和经费，而且任何尝试的失败，都将造成重大的经济损失，同时使得产品质量存在偶然性。在生产过程中由于残余焊接变形及应力的存在，使得焊后的修复工序工作量很大，严重浪费了大量的燃料成本，对焊接质量也留有一定的隐患。
焊接残余应力和变形产生的根本原因是焊缝金属在高温下产生的压缩性塑性应变，如果焊件的刚度较大，焊接后将表现为大的焊接残余应力和小的焊接变形，如果焊件的刚度较小，表现为小的焊接残余应力和大的焊接变形。由此可见，要想准确得到焊接的变形和残余应力，关键是要得到高温时焊缝的压缩性塑性应变，而与高温塑性应变有关的材料的参数为，材料在各个温度下的热膨胀系数、屈服强度、切边模量(与变形有关)，焊接结构等。
有限元模拟，是指利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。通过有限元模拟，可以得到并优化结构的变形规律而并不追求精确的预测焊接变形的数值，为焊接工艺的制定提供指导意义。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种焊接过程中的应力与变形的调控方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种焊接过程中的应力与变形的调控方法，包括以下步骤：
步骤1、在计算机上建立带焊接部件的几何模型，并对模型的材料和焊接条件进行定义；
步骤2、按照几何模型和焊接条件进行实际现场焊接，并对温度场和应力场数据进行采样；
步骤3、根据计算机模型模拟并计算焊接温度场；
步骤4、将计算机模拟温度场与现场焊接测量进行对比，判断计算机模型计算是否准确；如果计算机模型计算不准确，则调整焊接条件直到温度场计算准确；
步骤5、将计算机模型中热-应力耦合分析单元转化为结构单元，并定义力学性能参数；
步骤6、对计算机模型的约束条件进行定义；
步骤7、读入温度场结果并计算该计算机模型焊接的应力场；
步骤8、与现场焊接测量的应力场进行对比，判断计算机模型计算是否准确；如果不准确，则调整约束条件直到应力场计算准确；
步骤9、根据计算机模型，输出应力和变形结果。
进一步地，本发明的方法还包括步骤10、根据建立的计算机模型，比较不同焊接方案的应力和变形结果，选择最优结果进行实际应用。
进一步地，所述步骤1中，焊接条件定义包括：a、定义几何模型的单元类型、材料属性，并将几何模型进行网格划分；和b、施加边界条件并确定载荷步。
进一步地，所述步骤6中，所述约束条件包括初始温度、对流换热系数。
本发明提供了一种在焊接过程中的应力与变形的调控方法，利用有限元模拟的方法，计算只选取了焊缝的一个面上的单元就行热加载，得出的残余应力和变形可能会较小的焊接方案，进而在相同的边界条件下，通过计算机模型模拟得到最优焊接工艺。
本发明使得焊接工程师在生产前即可根据工艺条件进行焊接残余应力与焊接变形的分析，从而制定出更加合理有效的焊接工艺，以使焊接生产过程更简捷，减少后续处理修整工序，降低了工时成本和燃料成本，提高了生产效率，大大提高焊接接头的质量。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
【实施例1】
步骤1、在计算机上建立带焊接部件的几何模型，并对模型的材料和焊接条件进行定义；其中，焊接条件定义包括：a、定义几何模型的单元类型、材料属性，并将几何模型进行网格划分；和b、施加边界条件并确定载荷步。
焊接过程的特点是瞬态，材料参数与温度又呈高度非线性，材料属性定义得是否准确不仅关系到计算结果的的准确性，还和计算时的收敛性有很大关系。而很多材料热物理性能参数不是很齐全，特别在高温区的参数。本文选取的材料是6系铝合金，为了计算简化，使母材和焊缝的材料参数相同。
选取全局网格0.01mm，焊缝区域局部2级加密，网格数量44万个。
步骤2、按照几何模型和焊接条件进行实际现场焊接，并对温度场和应力场数据进行采样；
步骤3、根据计算机模型模拟并计算焊接温度场；在本实施例中，进行焊接温度场模拟时选择内部热生成(生死单元)分布热源模型
步骤4、将计算机模拟温度场与现场焊接测量进行对比，判断计算机模型计算是否准确；如果计算机模型计算不准确，则调整焊接条件直到温度场计算准确；
步骤5、将计算机模型中热-应力耦合分析单元转化为结构单元，并定义力学性能参数；在计算机软件中，将热-应力耦合分析单元：SOLID70，转化为SOLID185。
步骤6、对计算机模型的约束条件进行定义；其中，所述约束条件包括初始温度、对流换热系数；本实施例中，本构件的焊接初始条件是环境温度20℃，对流主要在试件表面进行，按对流边界条件处理，在本文分析中对流换热系数为300W/(m2·℃)。
步骤7、读入温度场结果并计算该计算机模型焊接的应力场；
步骤8、与现场焊接测量的应力场进行对比，判断计算机模型计算是否准确；如果不准确，则调整约束条件直到应力场计算准确；
步骤9、根据计算机模型，输出应力和变形结果。
步骤10、根据建立的计算机模型，比较不同焊接方案的应力和变形结果，选择最优结果进行实际应用。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种焊接过程中的应力与变形的调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在计算机上建立带焊接部件的几何模型，并对模型的材料和焊接条件进行定义；
步骤2、按照几何模型和焊接条件进行实际现场焊接，并对温度场和应力场数据进行采样；
步骤3、根据计算机模型模拟并计算焊接温度场；
步骤4、将计算机模拟温度场与现场焊接测量进行对比，判断计算机模型计算是否准确；如果计算机模型计算不准确，则调整焊接条件直到温度场计算准确；
步骤5、将计算机模型中热-应力耦合分析单元转化为结构单元，并定义力学性能参数；
步骤6、对计算机模型的约束条件进行定义；
步骤7、读入温度场结果并计算该计算机模型焊接的应力场；
步骤8、与现场焊接测量的应力场进行对比，判断计算机模型计算是否准确；如果不准确，则调整约束条件直到应力场计算准确；
步骤9、根据计算机模型，输出应力和变形结果。
2.根据权利要求1所述的焊接过程中的应力与变形的调控方法，其特征在于：所述方法还包括步骤10、根据建立的计算机模型，比较不同焊接方案的应力和变形结果，选择最优结果进行实际应用。
3.根据权利要求1所述的焊接过程中的应力与变形的调控方法，其特征在于：所述步骤1中，焊接条件定义包括：a、定义几何模型的单元类型、材料属性，并将几何模型进行网格划分；和b、施加边界条件并确定载荷步。
4.根据权利要求1所述的焊接过程中的应力与变形的调控方法，其特征在于：所述步骤6中，所述约束条件包括初始温度、对流换热系数。
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