CN114841040B - 一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，包括测试桁架材料的物理性能，建立材料力学模型；对桁架进行焊接测试；建立焊接数值模拟模型；分析无约束状态下桁架上每个焊缝对竖直方向反弯变形的影响；根据每个焊缝对桁架变形的影响，通过不同焊接顺序方案对应的焊接变形量，确定最优焊接顺序方案；计算不同弧度下桁架的预变形量，将桁架预变形量减去焊接数值模拟模型中焊接变形量，获得不同弧度预变形桁架的回弹量；通过反弯预变形量与回弹量的关系，且基于桁架反弯设计要求，确定反弯预变形补偿量。本发明能够改善桁架扭转、偏斜、开口、波浪弯的缺陷，降低焊接后竖直方向上的回弹量，提高了回弹量的稳定性和工艺精度。
Description
技术领域
本发明属于桁架焊接技术领域，涉及一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法。
背景技术
桁架一般是由多种规格杆件形成具有三角形单元的平面或空间结构。对于大型桁架结构主要承受来自自身和外部的载荷，包括桁架自重、使用过程中物资或人员的重力，以及风载等环境载荷。
目前高空作业车的升降梯架主要是由多节开口悬臂式桁架组成，桁架本身作为载荷承受结构和输送通道，在高空作业时会出现钢度不够，产生明显下挠的问题，直接影响高空作业车升降梯架的正常运行。因此目前大型悬臂桁架采用曲线形反弯设计来解决桁架钢度较小、桁架受载变形严重偏离设计位置的问题。所述反弯设计是将桁架设计成具有一定圆弧的结构，以便在组成升降梯架，并在升高运行的同时受到重力影响，梯架由弯曲状态变成直线状态，从而提高高空作业车升降运行的平顺性。因此桁架的反弯设计要求对焊接成型的变形量控制要求极高，同时单节开口桁架结构长度可达10-15m，焊缝数量多，焊缝密集，易导致焊接变形。
桁架目前主要存在的问题如下：桁架焊接成型后关键尺寸偏差大，存在扭转、偏斜、开口等问题，焊接后修形困难，导致桁架达不到预定的反弯设计，出现下挠或过度反弯的缺陷，使得多节桁架组成的伸缩梯架运行过程中产生结构干涉、运行平顺性差等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，能够改善桁架扭转、偏斜、开口、波浪弯的缺陷，降低焊接后竖直方向上的回弹量，提高了回弹量的稳定性和工艺精度。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，包括以下步骤：
测试桁架材料的热物理性能和力学性能，并建立材料力学模型，用于表征焊接过程中桁架材料的热弹塑性应力应变演化规律；
对桁架进行焊接测试，在测试过程中测量焊接接头的熔池形貌、焊接温度以及焊接变形、残余应力、焊缝组织及形貌；
根据桁架的焊接测试数据，建立表征焊接参数与目标参数关联关系的焊接数值模拟模型；
通过焊接数值模拟模型，分析无约束状态下桁架上每个焊缝对竖直方向反弯变形的影响， 确定出桁架焊接后变形方向与反弯方向相同的同向焊缝；
连续集中焊接同向焊缝，通过焊接数值模拟模型确定除同向焊缝以外的其余焊缝对桁架变形的影响，根据其余焊缝对桁架变形的影响来制定不同焊接顺序的方案；
通过数值模拟模型，分析当桁架两端预变形成理论设计的圆弧状态时，所述不同焊接顺序方案对应的焊接变形量，并根据沿横杆方向的变形量、焊接后的回弹量、沿纵杆方向的变形量，确认最优焊接顺序方案；
计算不同弧度下桁架的预变形量，将桁架预变形量减去焊接数值模拟模型中计算得到的最优焊接顺序方案对应的焊接变形量，获得不同弧度预变形桁架的回弹量；
通过反弯预变形量与回弹量的关系，且基于桁架反弯设计要求，确定反弯预变形补偿量。
可选的，所述焊接数值模拟模型包括几何模型、硬化模型和热源模型。
可选的，所述最优焊接顺序采用桁架两侧对称进行焊接。
可选的，最优焊接顺序依次为：下纵杆与下加强杆之间焊缝；横杆与下纵杆之间焊缝；斜杆与纵杆之间焊缝；上纵杆与上加强杆之间焊缝。
可选的，预变形弧度半径大小包括350m、400m、450m、500 m、550 m、600 m、650 m、700 m、750 m和800 m。
可选的，通过移动热源热弹塑性有限元法建立焊接数值模拟模型。
可选的，还包括：确定反弯预变形补偿量后，实际焊接完成后的变形量与计算得到的变形量进行比较。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1.通过分析焊缝对桁架焊接变形的影响，从而利用焊缝自身的变形量达到焊后的反弯效果；
2.通过分析各焊缝对桁架焊接变形的影响，连续焊接变形方向与反弯设计方向一致的焊缝，可以减少制定焊接顺序方案的数量，减少模拟仿真的计算工作量或者现场验证的工作量；
3.确定桁架不同的圆弧半径与回弹量之间的关系，可以更准确的确定反弯预变形的补偿量；
4.为生产工艺的制定提供理论支持，减少工艺的反复尝试，同时提高工艺稳定性，减少焊后修型，提高工作效率和显著降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明的桁架示意图；
图3为图2中桁架的侧视图；
图4为桁架预变形补偿后与实际变形对比图。
图中：1、上加强杆；2、纵杆；21、上纵杆；22、下纵杆；3、斜杆；4、下加强杆；5、横杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，包括以下步骤：
S1，桁架材质为低合金高强度钢，测试该材质的比热容、热传导系数、热膨胀系数，并进行高温拉伸实验、等温循环拉压实验、力学熔点测试，得到材质高温下的热物理及力学性能参数，建立材料的硬化模型、力学熔点等材料力学模型，准确地表征焊接过程桁架材料的热弹塑性应力应变演化规律；
S2，选择桁架单侧2个相邻呈三角形两边的斜杆，将上纵杆21、下纵杆22、上加强杆1、下加强杆4、斜杆3定位并点焊，测量点焊后的变形量，然后进行焊接，焊接过程采用热电偶传感器测量上纵杆21与上加强杆1对接焊缝的焊接热循环曲线，焊后测量焊接变形，并采用盲孔法测量焊接残余应力，制作焊接接头的宏观形貌；
S3，采用移动热源热弹塑性有限元法建立焊接数值模拟模型；首先采用仿真软件划分单元网格，采用热源校核工具，以焊缝熔池横截面形貌作为参考校核热源模型，然后采用仿真软件模拟典型焊接接头的焊接过程，并以实测的焊接温度曲线、焊接变形、焊接残余应力验证焊接数值模拟模型的可靠性。
S4，通过焊接数值模拟模型，计算桁架无约束状态下的焊接变形，分析不同位置的焊缝对焊接变形的影响；通过模拟计算得到下纵杆22与下加强杆4的两侧焊缝、横杆5与下纵杆22的两侧焊缝、斜杆3与上下纵杆的外侧焊缝会导致桁架沿竖直方向向下发生弯曲变形，与反弯设计的方向相反；而上纵杆21与上加强杆1的两侧焊缝、斜杆3与上下纵杆的内侧焊缝导致桁架沿竖直方向向上发生弯曲变形，与反弯设计的方向一致；因此，从弯曲变形达到反弯设计角度考虑，应尽量减小与反弯设计方向相反的焊缝热输入量，增加与反弯设计方向一致的焊缝热输入量，也可集中焊接可增加与反弯设计方向一致的焊缝，增加热积累；
S5，连续集中焊接同向焊缝，通过焊接数值模拟模型确定除同向焊缝以外的其余焊缝对桁架变形的影响，根据其余焊缝对桁架变形的影响，制定不同的焊接顺序方案，以一定的圆弧半径作为预变形量计算各方案的焊接变形量；根据不同方案的焊接变形结果，通过依次考虑沿横杆方向的变形量、焊接后的回弹量、沿纵杆方向的变形量，确定最优焊接顺序为：下纵杆与下加强杆之间焊缝；横杆与下纵杆之间焊缝；斜杆与纵杆之间焊缝；上纵杆与上加强杆之间焊缝。焊接时采用两侧交替焊接。改善桁架的扭转、偏斜、开口、波浪弯缺陷，同时降低焊接后竖直方向上的回弹量，可以提高工艺精度和稳定性；
S6，通过编程软件开发预变形量计算程序，计算半径分别为350m、400m、450m、500m、550 m、600 m、650 m、700 m、750 m和800 m不同弧度下桁架的预变形量；桁架预变形量减去焊接数值模拟模型中计算得到的最优焊接顺序方案对应的焊接变形量，获得不同弧度预变形桁架的回弹量；
S7，通过反弯预变形量与回弹量的关系，且基于桁架反弯设计要求，确定反弯预变形补偿量；
S8，实际焊接完成后的变形量与计算得到的变形量进行比较，实际施加的预变形值补偿量的焊接变形与计算得到的焊接变形偏差在10%以内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于，包括以下步骤：
测试桁架材料的热物理性能和力学性能，并建立材料力学模型，用于表征焊接过程中桁架材料的热弹塑性应力应变演化规律；
对桁架进行焊接测试，在测试过程中测量焊接接头的熔池形貌、焊接温度以及焊接变形、残余应力、焊缝组织及形貌；
根据桁架的焊接测试数据，建立表征焊接参数与目标参数关联关系的焊接数值模拟模型；
通过焊接数值模拟模型，分析无约束状态下桁架上每个焊缝对竖直方向反弯变形的影响， 确定出桁架焊接后变形方向与反弯方向相同的同向焊缝；
连续集中焊接同向焊缝，通过焊接数值模拟模型确定除同向焊缝以外的其余焊缝对桁架变形的影响，根据其余焊缝对桁架变形的影响来制定不同焊接顺序的方案；
通过数值模拟模型，分析当桁架两端预变形成理论设计的圆弧状态时，所述不同焊接顺序方案对应的焊接变形量，并根据沿横杆方向的变形量、焊接后的回弹量、沿纵杆方向的变形量，确认最优焊接顺序方案；
计算不同弧度下桁架的预变形量，将桁架预变形量减去焊接数值模拟模型中计算得到的最优焊接顺序方案对应的焊接变形量，获得不同弧度预变形桁架的回弹量；
通过反弯预变形量与回弹量的关系，且基于桁架反弯设计要求，确定反弯预变形补偿量。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于：所述热物理性能包括比热容、热传导系数和相变温度；所述力学性能包括屈服强度、弹性模量、热膨胀系数；通过等温多级拉压循环载荷试验和热模拟试验，建立材料的硬化模型和力学熔点模型。
3.根据权利要求1所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于：所述焊接数值模拟模型包括几何模型、硬化模型和热源模型。
4.根据权利要求1所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于：所述最优焊接顺序采用桁架两侧对称进行焊接。
5.根据权利要求4所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于，最优焊接顺序依次为：下纵杆与下加强杆之间焊缝；横杆与下纵杆之间焊缝；斜杆与纵杆之间焊缝；上纵杆与上加强杆之间焊缝。
6.根据权利要求1所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于：预变形弧度半径大小包括350m、400m、450m、500 m、550 m、600 m、650 m、700 m、750 m和800 m。
7.根据权利要求1所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于；通过移动热源热弹塑性有限元法建立焊接数值模拟模型。
8.根据权利要求1所述的一种适用于大型桁架焊接工艺的制定方法，其特征在于，还包括：确定反弯预变形补偿量后，实际焊接完成后的变形量与计算得到的变形量进行比较。
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