CN115488539A - 提高搭接角焊缝t型接头疲劳性能的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，属于焊接技术领域。包括以下步骤：模型建立、热力学模拟熔池形状、拟合焊枪角度与焊缝形状尺寸的关系、力学模拟焊根处应力强度因子、拟合焊缝形状尺寸与焊根应力强度因子关系、选择焊枪角度、对实际试件进行焊接。该搭接角焊缝T型接头焊接方法具有保证焊接质量、有效避免焊根处焊接缺陷、提高构件力学性能及疲劳性能的优点。

Description

提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法。
背景技术
搭接角焊缝T型接头(即T形接头搭接化)是一种由带有一定角度弯边的L形板与局部平板或曲面板搭接焊成的较为复杂的工程结构。在工作受载时搭接角焊缝T型接头表现出T 形接头的特点，但从接头形式上看该接头属于搭接接头。这一结构目前常出现在钢制组装式车轮轮辐轮辋的断续合成焊缝中，车轮运行中承受复杂的动态径向载荷、周向载荷和侧向载荷等，其中径向载荷是引起疲劳开裂的主要原因。该结构当前主要采用的焊接方法为使用埋弧焊或者气保焊对其进行单道焊接，该种焊接方法下的焊缝容易出现焊根形状缺陷，并且在该结构的焊根及焊趾处存在较大应力集中，存在焊接残余应力。焊根处的较大应力集中及焊接残余应力在径向疲劳拉伸过程中更容易导致结构的疲劳破坏。
目前，有限元技术已经在各种工程领域得到广泛运用。有限元模拟方法通过将模型进行划分再对划分后的有限小单元进行计算，给很多实际试验提供了理论支持。在焊接技术领域，有限元技术可以被用于计算焊接的残余应力及焊接变形等。但当函数不连续时，比如有裂纹出现的情况，在有限元模拟中需对有奇异性的裂纹尖端区域进行进一步细化处理。有限元方法在处理结构裂纹处由于网格细化及网格节点间的数据映射问题时效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，解决了现有技术存在的焊根处应力集中导致疲劳性能下降的问题，有效避免了焊根处焊接缺陷，减小焊根缺口处的应力集中，在焊根处引入了强化机制，提高了焊缝的有效连接面积，增大了力臂，从焊缝组织及焊缝形状两个方面提高了焊接构件的性能。本发明结合有限元分析对搭接角焊缝T型接头结构进行焊接工艺方法的改进，优化其焊缝形状尺寸，减小焊缝应力集中，改善焊缝组织性能，进而提高该接头结构的疲劳性能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，包括以下步骤：
步骤S1、在有限元模拟软件中按照实际试件的规格进行整体模型建立，对模型进行网格划分、材料赋予及约束与加载条件的施加；
步骤S2、通过有限元模拟软件的热力学模拟功能对模型进行体热源的施加，编写子程序改变焊接角度对一至多道焊缝的熔池形状进行模拟；
步骤S3、测量不同焊接角度α下第x道焊缝的两板间连接长度L1(α，x)及远离两板方向的焊缝连接长度L2(α，x)。
步骤S4、在数值拟合软件中分别对两板间连接长度L1(α，x)与角度α，焊缝连接长度L2 (α，x)与角度α的关系进行拟合，获得α与L1、L2的关系式；
步骤S5、结合试验及模拟结果找出结构受载时的危险点，对不同角度焊接的构件的危险点进行应力强度因子的计算；
步骤S6、在数值拟合软件中对两板间连接长度L1(α，x)，焊缝连接长度L2(α，x)与应力强度因子K的关系进行拟合，获得K与L1、L2的关系式；
步骤S7、结合α与L1、L2的关系式及K与L1、L2的关系式可得到焊接角度α与应力强度因子K的关系式；
步骤S8、根据焊接角度α与应力强度因子K的关系式及实际设备情况选择焊接角度，采用自动化焊接系统对实际试件进行焊接。
基于上述，步骤S1中所述网格划分，在所述焊缝区域进行网格细化，有利于对所述熔池形状模拟及所述力学模拟的精度提升。
基于上述，步骤S2中所述编写子程序改变焊接角度，对热源局部坐标进行旋转变换，旋转变换公式为：
Figure BDA0003885825410000021
式中，x，y为原热源横纵坐标，α为焊接角度。
步骤S2中所述一至多道焊缝，第一道打底焊选择高能密度焊，第二至N道焊接选择熔化焊的焊接方法。
步骤S2中所述体热源采用双椭球热源模型，双椭球热源模型计算公式为：
Figure BDA0003885825410000031
Figure BDA0003885825410000032
Q＝η×U×I
式中，Q为焊接有效热输入；qf、qr为前、后半椭球体热流分布；ar、af、bh、ch分别为前后半椭球的两个半轴长；ff、fr为前后半椭球体能量分配系数；η为转换效率。
步骤S2所述双椭球热源模型计算公式中的参数ar、af、bh、ch及ff、η由查阅相关资料及实际试验对比获得。
步骤S3中所述焊接角度α在每道焊接过程中可选取不同值。
步骤S5中所述不同角度焊接的构件模型选取所述两板间连接长度L1(α，x)及所述远离两板方向的焊缝连接长度L2(α，x)的最大值进行搭建。
步骤S5中所述焊缝最终连接长度L等于L1(α，x)max与L2(α，x)max之和。
步骤S5中应力强度因子与疲劳裂纹扩展速率的关系表达式为：
Figure BDA0003885825410000033
式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率；C和m为材料常数；ΔK为应力强度因子。
即应力强度因子大小可说明疲劳裂纹扩展速率的大小，应力强度因子减小，疲劳裂纹扩展速率减小，疲劳断裂扩展越不易。
基于上述步骤S8中所述的对实际试件进行焊接时，通过夹具使搭接角焊缝T形接头采用船型焊或平角焊位置焊接，以保证所述焊缝的质量。
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，首先采用了多层、角度可改变焊接，用至少一层的打底焊方法控制了焊缝根部形状，有效避免了焊缝处焊接缺陷，减小焊根缺口处的应力集中，并为后期表面强化处理提供可能，为下一道焊缝的焊根引入了强化机制。本发明在焊接过程中结合热力学模拟及力学拉伸通过对焊接角度的调整，找出角度与应力强度因子的关系，并做出每道焊缝的合理角度选择，优化了焊缝形状尺寸，增加了焊缝有效连接面积，增加了构件受到弯矩时的力臂，从而力矩增大，提高构件的力学性能。本发明结合有限元方法从改善焊缝组织和改变焊缝形状两个方面提高了搭接角焊缝T型接头疲劳性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的搭接角焊缝T型接头焊接夹具及焊接角度α示意图；
图2为本发明的搭接角焊缝T型接头结构一个实施例在有限元模拟软件中的模型及约束与加载条件示意图；
图3为本发明的一个实施例中热力学模拟改变各道焊接角度后焊接熔池形状改变对比图；
图4为本发明的一个实施例中改变各道焊接角度后应力强度因子改变对比图；
图5为现有技术的焊缝截面与使用本发明方法的焊缝截面的效果对比图；
图6为本发明的一个实施例与现有技术的显微硬度对比图；
图7为本发明的一个实施例与现有技术的疲劳拉伸性能对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1至图7所示，本发明的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，步骤包括模型建立、热力学模拟熔池形状、拟合焊接角度与焊缝形状尺寸的关系、力学模拟焊根处应力强度因子、拟合焊缝形状尺寸与焊根应力强度因子关系、选择焊接角度、对实际试件进行焊接。该搭接角焊缝T型接头焊接方法具有保证焊接质量、有效避免焊根处焊接缺陷、提高构件力学性能及疲劳性能的优点。
下面结合附图，对本发明的一个实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
参见图1至图7所示，本实施例提供一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，用于将带有一定角度弯边的L形板与局部平板或曲面板焊接于一体，避免焊根缺陷，强化焊缝，提升焊缝疲劳性能。
本实施例选择了具有强度高、成分均匀、焊接性能优良等优点的SW400高强钢为L形板及局部平板的材料。第一道焊接方法采用激光焊，焊接工艺参数为：焊接功率1.4KW，焊接速度20mm/s，保护气体Ar气，气流量20L/min。利用激光焊聚焦后具有很高的功率密度，焊接以深熔方式进行，加热范围小的优点对焊根形状进行控制。第二道焊接选择焊接方法为埋弧焊，埋弧焊过程根据GB/T5293-2018标准选用直径为1.2mm的H08Mn2SiA焊丝及SJ301埋弧焊用烧结焊剂。焊接工艺参数为：焊接电流240A，焊接电压27V，焊接速度25cm/min。具体实施步骤如下：
步骤S1、如图2所示，在有限元模拟软件中按照实际试件的规格进行整体模型建立，对模型进行网格划分、为了提高计算精度网格在焊缝处进行细化，给模型进行SW400高强钢材料赋予及按照疲劳拉伸试验施加约束与加载条件；
步骤S2、通过有限元模拟软件的热力学模拟功能对模型进行体热源的施加，编写子程序改变焊接角度对一至多道焊缝的熔池形状进行模拟，如图3所示为不同角度下熔池形状改变的对比图；
步骤S3、如图3所示，测量不同焊接角度α下第一道激光焊缝的两板间连接长度L1(α，1)及远离两板方向的焊缝连接长度L2(α，1)及第二道埋弧焊两板间连接长度L1(α，2)及远离两板方向的焊缝连接长度L2(α，2)。
步骤S4、在数值拟合软件中分别对两板间连接长度最大值L1(α，x)max与焊接角度α，远离两板方向的焊缝连接长度最大值L2(α，x)max与焊接角度α的关系进行拟合，获得α与L1、L2的关系式，在本实施例中得到关系式：
Figure BDA0003885825410000061
式中，L1(α，1)为第一道激光焊缝两板间焊缝连接长度；L2(α，2)为第二道埋弧焊缝远离两板方向的焊缝连接长度；α为焊接角度。
步骤S5、结合试验及模拟结果找出结构受载时的危险点，对不同角度焊接的构件的危险点进行应力强度因子的计算，得到结果如图4所示；
步骤S6、在数值拟合软件中对两板间连接长度L1(α，x)，L2(α，x)与应力强度因子K的关系进行拟合，获得K与L1、L2的关系式，在本实施例中，选择L1(α，x)的最大值即L1(α，1)及L2(α，x)最大值即L2(α，2)与应力强度因子进行拟合，得到的关系式为：
Figure BDA0003885825410000062
式中，K为应力强度因子，L1(α，1)为第一道激光焊两板间焊缝连接长度；L2(α，2)为第二道埋弧焊远离两板方向的焊缝连接长度。
步骤S7、结合α与L1、L2的关系式及K与L1、L2的关系式可得到焊接角度α与应力强度因子K的关系式；
步骤S8、根据焊接角度α与应力强度因子K的关系式及实际设备情况选择第一道激光焊接角度为15°，第二道埋弧焊角度为75°，采用德国产IPG YLR—2000型激光器系统及日本安川Motoman UP6焊接机器人如图1所示对实际试件进行焊接。
如图5所示，采用本发明方法之后的焊接接头与原技术相比整体成型良好，两道焊缝结合形成“图钉”状，填补了两块钢材之间因装配产生的间隙，改善了焊根处的形状缺陷。
如图6所示，采用本发明方法之后搭接角焊缝T型接头后的焊接接头由于打底焊组织与母材相比晶粒更细小均匀，显微硬度得到了一定的提升。
如图7所示，采用本发明方法之后搭接角焊缝T型接头后的焊接接头的疲劳失效拉伸次数较原技术比有所升高，即接头疲劳性能得到了提升，针对本发明实施例疲劳性能提升了约120％。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、在有限元模拟软件中按照实际试件的规格进行整体模型建立，对模型进行网格划分、材料赋予及约束与加载条件的施加；
步骤S2、通过有限元模拟软件的热力学模拟功能对模型进行体热源的施加，编写子程序改变焊接角度对一至多道焊缝的熔池形状进行模拟；
步骤S3、测量不同焊接角度α下第x道焊缝的两板间连接长度L1(α，x)及远离两板方向的焊缝连接长度L2(α，x)；
步骤S4、在数值拟合软件中分别对两板间连接长度L1(α，x)与角度α，焊缝连接长度L2(α，x)与角度α的关系进行拟合，获得α与L1、L2的关系式；
步骤S5、结合试验及模拟结果找出结构受载时的危险点，对不同角度焊接的构件的危险点进行应力强度因子的计算；
步骤S6、在数值拟合软件中对两板间连接长度L1(α，x)，焊缝连接长度L2(α，x)与应力强度因子K的关系进行拟合，获得K与L1、L2的关系式；
步骤S7、结合α与L1、L2的关系式及K与L1、L2的关系式可得到焊接角度α与应力强度因子K的关系式；
步骤S8、根据焊接角度α与应力强度因子K的关系式及实际设备情况选择焊接角度，采用自动化焊接系统对实际试件进行焊接。
2.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S1中所述的网格划分是：在焊缝区域进行网格细化，有利于对熔池形状模拟及力学模拟的精度提升。
3.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S2中所述的编写子程序改变焊接角度是：对热源局部坐标进行旋转变换，旋转变换公式为：
Figure FDA0003885825400000021
式中，x，y为原热源横纵坐标，α为焊接角度。
4.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S2中所述的一至多道焊缝，第一道打底焊选择高能密度焊，第二至N道焊接选择熔化焊的焊接方法。
5.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S2中所述的体热源采用双椭球热源模型，双椭球热源模型计算公式为：
Figure FDA0003885825400000022
Figure FDA0003885825400000023
Q＝η×U×I
式中，Q为焊接有效热输入；qf、qr为前、后半椭球体热流分布；ar、af、bh、ch分别为前后半椭球的两个半轴长；ff、fr为前后半椭球体能量分配系数；η为转换效率。
6.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S3中所述的焊接角度α在每道焊接过程中可选取不同值。
7.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S5中所述的不同角度焊接的构件模型选取两板间连接长度L1(α，x)及远离两板方向的焊缝连接长度L2(α，x)的最大值进行搭建；焊缝最终连接长度L等于L1(α，x)max与L2(α，x)max之和。
8.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S5中所述的应力强度因子与疲劳裂纹扩展速率的关系表达式为：
Figure FDA0003885825400000024
式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率；C和m为材料常数；ΔK为应力强度因子；
应力强度因子大小可说明疲劳裂纹扩展速率的大小，应力强度因子减小，疲劳裂纹扩展速率减小，疲劳断裂扩展越不易。
9.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S8中所述的对实际试件进行焊接时，通过夹具使搭接角焊缝T形接头采用船型焊或平角焊位置焊接，以保证焊缝的质量。
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