CN111515566B - 一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，包括如下步骤，1)制作一大一小两个圆环状焊接件，其中大焊接件的内径等于小焊接件的外径；2)将大焊接件套设在小焊接件上，并通过焊接工艺将大焊接件与小焊接件焊接成为一体，从而形成焊接成型样品；3)沿焊接成型样品半径方向并垂直于焊接成型样品表面设置开口；4)在固定时间间隔内，检测开口两侧上表面边界线圆周上相对的两点之间的直线距离参数，并检测焊接成型样品的挠度变化参数；本发明可以快速、准确、便捷地用来检测焊接成型后焊件随时间的尺寸稳定性情况。

Description

一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种焊接成型后尺寸稳定性 表征方法。
背景技术
焊接作为先进制造技术中的重要组成部分，对于工业生产制造和 社会发展具有举足轻重的作用。焊接在众多工业结构领域有着广泛的 应用。例如，交通轨道、压力容器、船舶、航空航天等。焊接结构用 钢占据世界钢厂量的50-60％。
然而，在一些精密制造领域，对于焊接成型后尺寸精度要求高， 焊后需要有良好的尺寸稳定性；机床作为精密制造的重要工具，其床 身、横梁、立柱等焊接结构大件尺寸稳定性对于机床整体精度有着重 大的影响。
由于集中热输入、焊后冷却等过程；焊缝金属热胀冷缩受到焊缝 周围冷金属的拘束和实际生产过程中工装夹具的拘束，在焊接过程中， 焊缝受热膨胀，由于拘束作用，焊缝区受到压应力，局部位置发生塑 性变形；在冷却过程中，焊缝区冷却收缩受到拘束，焊缝区受到拉应 力。尽管焊后热处理能够降低残余应力幅值，使焊件应力场分布均匀。 在实际中，仍然会发生残余应力松弛导致焊接结构件尺寸发生变化。 从而影响产品性能。
通常，由于应力松弛产生的尺寸变化不够明显，常见的采用棒状 或板状试样，测量其焊接前后尺寸变化的方法容易产生较大的误差， 而且时间周期较长，不利于表征焊接结构件的尺寸稳定性。因此，更 加专业、准确、快速、便捷的尺寸稳定性评价方法对于表征焊接成型 后尺寸稳定性具有十分重要的作用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种快速、 准确的焊接成型后尺寸稳定性的表征方法。
本发明的技术方案如下：
一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，包括如下 步骤：
步骤1：制作一大一小两个圆环状焊接件，其中大焊接件的内径 等于小焊接件的外径；
步骤2：将大焊接件套设在小焊接件上，并通过焊接工艺将大焊 接件与小焊接件焊接成为一体，从而形成焊接成型样品；
步骤3：沿焊接成型样品半径方向并垂直于焊接成型样品表面设 置开口；
步骤4：在固定时间间隔内，检测开口两侧上表面边界线圆周上 相对的两点之间的直线距离参数，并检测焊接成型样品的挠度变化参 数；
步骤5：绘制距离随时间的变化曲线及挠度随时间变化的曲线， 并根据曲线的趋势，对焊接成型后尺寸稳定性进行评价。
所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所 述步骤2中焊接采用为CO2气体保护焊。
所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所 述步骤2中采用三层三道焊接，且层间温度控制在200OC。
所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所 述步骤3中开口为扇形开口。
所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所 述步骤3中开口采用电火花加工方式。
所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所 述步骤4中检测进行之前需要对焊接成型样品进行磨削加工，保持样 品表面平整，再将焊接成型样品静置于工作台上。
本发明的有益效果是：通过选用一大一小的环状焊接件成型后， 通过观察预制开口圆周上两点之间的距离变化，以及成型样品的挠度 变化，来表征该种材料焊接成型后尺寸稳定性，由于成型所形成的的 封闭型焊缝拘束大，残余应力大等特点，预制开口后，变形较明显而 且变形比较迅速，能够更好的观察实验结果。
附图说明
图1为本发明大焊接件结构示意图；
图2为本发明小焊接件结构示意图；
图3为本发明焊接成型样品结构示意图；
图4为本发明焊接成型样品开口结构示意图；
图5为本发明有限元仿真过程中第一道焊后温度场模拟图；
图6为本发明有限元仿真过程中第二道焊后温度场模拟图；
图7为本发明有限元仿真过程中第三道焊后温度场模拟图；
图8为本发明焊接结束后成型样品环向残余应力模拟图；
图9为本发明焊接结束后成型样品整体挠度模拟图；
图10为本发明开口后成型样品整体挠度模拟图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明做进一步描述。
如图1-10所示，一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，具体 步骤如下：
步骤1：制作一大一小两个圆环状焊接件，其中大焊接件的内径 等于小焊接件的外径；其中大焊接件厚度小于小焊接件直径的十分之 一
步骤2：将大焊接件套设在小焊接件上，并通过CO2气体保护焊 将大焊接件与小焊接件焊接成为一体，从而形成焊接成型样品；焊接 采用三层三道焊接，且层间温度控制在200OC。
步骤3：沿焊接成型样品半径方向并垂直于焊接成型样品表面设 置开口；其中开口采用电火花加工方式，且开口为扇形开口。
步骤4：在固定时间间隔内，检测开口两侧上表面边界线圆周上 相对的两点之间的直线距离参数，并检测焊接成型样品的挠度变化参 数；其中检测进行之前需要对焊接成型样品进行磨削加工，保持样品 表面平整，再将焊接成型样品静置于工作台上。
步骤5：绘制距离随时间的变化曲线及挠度随时间变化的曲线， 并根据曲线的趋势，对焊接成型后尺寸稳定性进行评价。
本方法可以通过有限元分析进行验证，以便在试验过程中进行模 拟焊接试验，节省大量试验时间：
1)在hypermesh软件中建立所述大小圆环状焊接件的三维几何 模型。
2)对步骤1)中建立的三维几何模型划分网格；更具体地，焊 缝区采用较为密集的六面体单元，远离焊缝区采用过渡单元形式转换 成较为稀疏的六面体单元，并分别建立第一、第二、第三道焊焊缝区 网格集合，以便于后续操作。
3)导入步骤2)中建立的有限元网格至MSC.Marc中设置大小 焊接件表面为散热面，设置大小焊接件、焊缝区材料热物理参数；更 具体地，材料热物理参数包括大小接件的热导率、密度、杨氏模量、 泊松比、线膨胀系数、屈服强度。
4)分别建立第一、第二、第三道焊的焊接路径，并设置填充焊 缝为生死单元。
5)定义力学边界条件；更具体地，力学边界条件采用只约束刚 体位移的方式，保持焊接过程中的焊件自由膨胀收缩。
6)定义热源参数，更具体地，热源采用双椭球热源。
7)分别定义第一、第二、第三道焊的工作步、设置子步步长、 总时间、收敛判据。
8)定义工作性质为热力耦合；更具体地，采用间接耦合的方式， 将温度场中结果导入到静力场中，最终计算出相应结果。
9)针对计算结果，进行后处理，得到整体挠度的变化参数及AB 之间距离变化参数。
10)通过有限元模拟试验与真实试验参数进行对比，若参数在误 差范围内，既可得到有限元分析模型。
本发明通过现场试验并结合有限元分析，能够得到基本一致的参 数结果，因此通过本方法能够放大焊接试验稳定性的结果，更加便于 试验观察。
以上所述，仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制作一大一小两个圆环状焊接件，其中大焊接件的内径等于小焊接件的外径；
步骤2：将大焊接件套设在小焊接件上，并通过焊接工艺将大焊接件与小焊接件焊接成为一体，从而形成焊接成型样品；
步骤3：沿焊接成型样品半径方向并垂直于焊接成型样品表面设置开口；所述步骤3中开口为扇形开口；
步骤4：在固定时间间隔内，检测开口两侧上表面边界线圆周上相对的两点之间的直线距离参数，并检测焊接成型样品的挠度变化参数；所述步骤4中检测进行之前需要对焊接成型样品进行磨削加工，保持样品表面平整，再将焊接成型样品静置于工作台上；
步骤5：绘制距离随时间的变化曲线及挠度随时间变化的曲线，并根据曲线的趋势，对焊接成型后尺寸稳定性进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所述步骤2中焊接采用为CO2气体保护焊。
3.根据权利要求1所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所述步骤2中采用三层三道焊接，且层间温度控制在200℃。
4.根据权利要求1所述的一种焊接成型后尺寸稳定性的表征方法，其特征在于，所述步骤3中开口采用电火花加工方式。
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