CN113210799A - 一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法和装置 - Google Patents

一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法和装置，其中，方法包括：对焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，将待焊接工件安装在工作台上，并一端进行固定；根据待焊接工件使用的金属材质，在金属载荷数据库中查找待焊接工件对应的循环载荷参数；根据循环载荷参数在待焊接工件的另一端连接对应的拉伸装置，拉伸装置在沿焊缝方向上对待焊接工件施加纵向循环载荷，待焊接工件根据纵向循环载荷形成预置弹性变形；采用电弧焊对待焊接工件进行焊接；焊接完成后，根据预设时间保持纵向循环载荷，在待焊接工件空冷时，根据预置弹性变形的回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形。本发明能够通过机械作用主动控制并减小焊接残余应力。

Description

一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法和装置
技术领域
本发明涉及焊接残余应力控制技术领域，尤其涉及一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法和装置。
背景技术
在焊接过程中，工件在局部集中热源作用下发生变形时收到约束，从而会产生残留在焊接结构中的残余应力，残余应力会严重影响焊接结构件在使用过程中的稳定性、承载强度、疲劳强度和抗应力腐蚀开裂能力等。因此就需要对焊接过程中产生的残余应力进行处理，降低其带来危害的可能性。
现有技术中，主要从设计和工艺两个方面来减小焊接残余应力。从设计角度，通过选择合理的焊接顺序能够有效控制焊接残余应力，例如，焊接时尽可能考虑焊缝能自由收缩，收缩最大的焊缝先进行焊接，这是一种被动的残余应力控制手段，会受到结构设计的限制，且无法完全避免焊接残余应力。而焊后退火处理是目前应用最广泛的主动去应力方法，通过将焊接结构加热到较低温度，保温一段时间，使金属内部高应力区域发生塑性变形，然后缓慢冷却到失稳，达到减小残余应力，消除危害的作用。但是在很多工况下材料对热作用非常敏感，无法使用热处理手段进行去应力处理。例如，钛合金对温度非常敏感，极易氧化，焊后热处理需要惰性气体保护，成本很高；在很多装配焊接中，结构件中的零部件对温度敏感，无法进行焊后热处理。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法和装置。
一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，包括以下步骤：对焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，将所述待焊接工件安装在工作台上，并将所述待焊接工件的一端进行固定；根据所述待焊接工件使用的金属材质，在金属载荷数据库中查找所述待焊接工件对应的循环载荷参数，所述循环载荷参数包括有循环载荷大小和循环载荷频率；根据所述循环载荷参数在所述待焊接工件的另一端连接对应的拉伸装置，所述拉伸装置在沿焊缝方向上对所述待焊接工件施加纵向循环载荷，待焊接工件根据所述纵向循环载荷形成预置弹性变形；采用电弧焊对所述待焊接工件进行焊接；焊接完成后，根据预设时间保持所述纵向循环载荷，在待焊接工件空冷时，根据所述预置弹性变形的回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形。
在其中一个实施例中，所述对焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，具体包括：根据物理方法或化学方法中的至少一种，消除焊接工件上的杂质，获取待焊接工件。
在其中一个实施例中，所述金属载荷数据库根据金属材质确定有对应的循环载荷参数。
在其中一个实施例中，所述采用电弧焊对所述待焊接工件进行焊接，还包括：采用单面焊双面成型的成型方式对所述待焊接工件进行焊接。
在其中一个实施例中，在所述焊接完成后，还包括：建立待焊接工件焊接过程的热力耦合有限元分析模型，根据所述热力耦合有限元分析模型对所述预置弹性变形回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形的有效性进行验证。
一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制装置，包括：工作台、焊机、拉伸装置；所述工作台用于安装待焊接工件；所述焊机连接有焊枪，通过所述焊枪对所述待焊接工件进行焊接；所述焊枪连通有保护气罐，通过所述保护气罐对所述焊枪输送保护气；所述拉伸装置设置在所述待焊接工件的两端，通过力传导介质连接所述待焊接工件。
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：
1、本发明能够通过机械作用主动控制并减小焊接残余应力，能够不受待焊接工件结构限制的同时避免焊后热处理对结构的影响。
2、本发明能够省去焊后热处理工序，简化工艺，节约能源。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法的流程示意图；
图2为现有技术中待焊接工件焊后空冷的残余应力分布云图；
图3为本发明的待焊接工件焊后空冷的残余应力分布云图；
图4为现有技术和本发明垂直于焊接方向上的残余应力对比图；
图5为一个实施例中一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制装置的结构示意图。
附图中，包括：工作台10、焊机20、焊枪21、保护气罐22、拉伸装置20、力传导介质31、焊接工件40。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，包括以下步骤：
步骤S101，对焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，将待焊接工件安装在工作台上，并将焊接工件的一端进行固定。
具体地，在焊接前，需要对焊接工件进行预处理，例如去除氧化膜或油污等可能影响焊接的杂质，从而获取待焊接工件，将待焊接工件安装在工作台上，并对焊接工件的一端进行固定。例如可以将远离焊缝的一端固定在工作台上。
步骤S102，根据待焊接工件使用的金属材质，在金属载荷数据库中查找待焊接工件对应的循环载荷参数，循环载荷参数包括有循环载荷大小和循环载荷频率。
具体地，由于不同的金属材质对应的循环载荷参数也不同，因此可以根据不同的金属和对应的循环载荷参数建立金属载荷数据库，将常用金属例如钢、铝合金、钛合金及铜合金等不同的被焊母材的循环载荷参数收录在金属载荷数据库中，从而更好的指导工程实践，扩大适用范围。
具体地，金属载荷数据库根据金属材质确定有对应的循环载荷参数，从而根据待焊接工件所采用的金属材质确定需要施加的循环载荷的大小和频率，循环载荷的大小和频率产生的预置弹性变形，与焊接残余应力相对应，从而对焊接残余应力进行控制和降低。
其中，循环载荷可以实现逐段残余应力消除，提高消除残余应力的有效性。
步骤S103，根据循环载荷参数在所述待焊接工件的另一端连接对应的拉伸装置，根据拉伸装置在沿焊缝向上对待焊接工件施加纵向循环载荷，待焊接工件根据纵向循环载荷形成预置弹性变形。
具体地，根据待焊接工件的金属材质对应的循环载荷参数，确定对应的拉伸装置，拉伸装置沿焊缝方向对待焊接工件施加纵向循环载荷，并固定在待焊接工件的另一端。待焊接工件在焊缝方向受到纵向循环载荷，因此产生预置弹性变形。
步骤S104，采用电弧焊对待焊接工件进行焊接。
具体地，采用电弧焊对待焊接工件进行焊接。在焊接过程中，拉伸装置对待焊接工件施加有纵向循环载荷，循环载荷有一个峰值和一个低值，使得待焊接工件内部产生一定的预置弹性变形。
步骤S105，焊接完成后，根据预设时间保持纵向循环载荷，在待焊接工件空冷时，根据所述预置弹性变形的回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形。
具体地，焊接完成后，根据设置的预设时间保持纵向循环载荷，然后撤去循环载荷的作用，预置弹性变形回弹，从而抵消焊缝冷却产生的部分收缩变形。
具体地，由于焊接过程中局部的热作用造成焊缝及周围材料产生不均匀的热胀冷缩，会使焊缝内部产生较大的残余拉应力。而在焊接过程中施加沿焊缝方向的纵向循环载荷作用，可以在焊缝金属以外的区域产生预拉应力，当撤销纵向循环载荷时，材料会产生搜索，抵消掉一部分焊缝金属中的残余应力，使残余应力降低到可以接受的范围内。
在本实施例中，对待焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，将待焊接工件安装在工作台，并一端固定；根据待焊接工件使用的金属材质，在金属载荷数据库中查找待焊接工件对应的循环载荷参数，循环载荷参数包括有循环载荷大小和循环载荷频率，根据循环载荷参数在待焊接工件的另一端连接对应的拉伸装置，拉伸装置在沿焊缝方向上对待焊接工件施加纵向循环载荷，待焊接工件根据纵向循环载荷形成预置弹性变形；采用电弧焊对待焊接工件进行焊接；焊接完成后根据预设时间保持纵向循环载荷，在待焊接工件空冷时，根据预置弹性变形的回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形，实现通过机械作用主动控制并减小焊接残余应力，能够不受待焊接工件结构限制的同时避免焊后热处理对结构的影响。
其中，步骤S101具体包括：根据物理方法或化学方法中的至少一种，消除焊接工件上的杂质，获取待焊接工件。
具体地，例如采用物理方法中的砂纸打磨法，将焊接工件打磨干净，去除氧化膜，然后通过化学方法中的丙酮擦洗法，用丙酮擦洗待焊接工件的焊接面，去除油污，养护膜和油污都是可能影响到待焊接工件焊接的杂质。
其中，步骤S104具体包括：采用单面焊双面成型的成型方式对待焊接工件进行焊接。
其中，在步骤S105之后，还包括：建立待焊接工件焊接过程的热力耦合有限元分析模型，根据热力耦合有限元分析模型对预置弹性变形回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形的有效性进行验证。
具体地，建立待焊接工件焊接过程中的热力耦合有限元分析模型，根据热力耦合有限元分析模型获取残余应力分布情况，验证预置弹性变形抵消残余应力的有效性。
在一个实施例中，以钛合金板TIG(Tungsten Inert Gas Welding，非熔化极惰性气体保护电弧焊)对接焊为例，通过在焊接过程中在沿焊缝方向上施加循环载荷，降低焊接结构中的残余应力水平，具体操作步骤如下：
将3mm厚的待焊TC4钛合金板对接面通过砂纸打磨干净，去除氧化膜，然后用丙酮擦洗待焊接面，去除油污；将待焊接板装配好，一端固定，另一端通过夹具连接拉伸装置；采用热丝TIG焊对钛合金板进行焊接，采用单面焊双面成型的焊接方法，焊接电流150A，电弧电压为20V，焊接速度为240mm/min；焊接过程中，拉伸装置对待焊接板施加循环载荷，循环载荷的最大值为200N，最小值为0N，焊接完成后，循环载荷保持100s，然后撤去循环载荷的作用。
如图2至图4所示，对上述焊接过程建立热力耦合数值分析模型，计算得到残余应力分布情况，获取残余应力分布云图，根据残余应力分布云图和残余应力对比图，可以看出使用本方法时待焊接板的残余应力峰值减少了近50％，因此说明该方法能够显著减小焊后残余应力，充分验证了本方法的有效性。
如图5所示，提供了一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制装置，包括：工作台10、焊机20和拉伸装置30；工作台10用于安装待焊接工件40；焊机20连接有焊枪21，通过焊枪21对待焊接工件40进行焊接；焊枪21连通有保护气罐22，通过保护气罐22对焊枪21输送保护器；拉伸装置30设置在待焊接工件40的两端，通过力传导介质31连接待焊接工件40。
具体地，在待焊接工件40安装在工作台10上之后，通过力传导介质31在待焊接工件40的两端沿焊缝方向分别设置拉伸装置30，在拉伸装置30的作用下，待焊接工件40产生预置弹性形变，然后通过焊机40启动焊枪21，同时打开保护气罐22，通过焊枪21对待焊接工件40进行焊接，焊接完成后，将拉伸装置30保持预设时间后撤去，在待焊接工件40空冷时通过预置弹性形变的回弹抵消焊缝冷却产生的残余应力，从而实现对焊接残余应力的控制和减小，避免因残余应力过高导致工件寿命降低的问题。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，将所述待焊接工件安装在工作台上，并将所述待焊接工件的一端进行固定；
根据所述待焊接工件使用的金属材质，在金属载荷数据库中查找所述待焊接工件对应的循环载荷参数，所述循环载荷参数包括有循环载荷大小和循环载荷频率；
根据所述循环载荷参数在所述待焊接工件的另一端连接对应的拉伸装置，所述拉伸装置在沿焊缝方向上对所述待焊接工件施加纵向循环载荷，待焊接工件根据所述纵向循环载荷形成预置弹性变形；
采用电弧焊对所述待焊接工件进行焊接；
焊接完成后，根据预设时间保持所述纵向循环载荷，在待焊接工件空冷时，根据所述预置弹性变形的回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形。
2.根据权利要求1所述的一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，其特征在于，所述对焊接工件进行预处理，获取待焊接工件，具体包括：
根据物理方法或化学方法中的至少一种，消除焊接工件上的杂质，获取待焊接工件。
3.根据权利要求1所述的一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，其特征在于，所述金属载荷数据库根据金属材质确定有对应的循环载荷参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，其特征在于，所述采用电弧焊对所述待焊接工件进行焊接，还包括：
采用单面焊双面成型的成型方式对所述待焊接工件进行焊接。
5.根据权利要求1所述的一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制方法，其特征在于，在所述焊接完成后，还包括：建立待焊接工件焊接过程的热力耦合有限元分析模型，根据所述热力耦合有限元分析模型对所述预置弹性变形回弹抵消焊缝冷却产生的收缩变形的有效性进行验证。
6.一种基于纵向循环载荷的焊接残余应力控制装置，其特征在于，包括：工作台、焊机、拉伸装置；所述工作台用于安装待焊接工件；所述焊机连接有焊枪，通过所述焊枪对所述待焊接工件进行焊接；所述焊枪连通有保护气罐，通过所述保护气罐对所述焊枪输送保护气；所述拉伸装置设置在所述待焊接工件的两端，通过力传导介质连接所述待焊接工件。
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