CN115805381B - 焊接变形预测方法 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供一种焊接变形预测方法，包括：对原尺寸件中的多个焊接接头进行焊接试验，以构建每个焊接接头对应的应变模型；确定缩放比并制作原尺寸件的缩放尺寸件；基于缩放尺寸件中的每个焊接接头的固有应变修正每个焊接接头对应的应变模型；使用修正后的应变模型预测原尺寸件在焊接时的变形。本申请实施例提供的焊接变形预测方法能够对一些尺寸较大且形状复杂的设备在焊接过程中发生的变形进行较为准确地预测，从而能够为这些设备的制造提供焊接变形控制方案，有效的节约制造周期和制造成本。

Description

焊接变形预测方法

技术领域

本申请涉及焊接技术领域，具体涉及一种焊接变形预测方法。

背景技术

一些结构较尺寸较大且形状复杂的设备在制作过程中具有较大的焊接工作量，且焊接过程中会发生较为复杂的变形，如果能够准确地预测焊接过程中可能会发生的变形，则能够为这些设备的制造提供焊接变形控制方案，从而有效的节约制造周期和制造成本。相关技术中所提供的焊接变形预测方法难以对尺寸较大且形状复杂的设备进行较为准确的变形预测。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本申请以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的焊接变形预测方法。

本申请的实施例提供一种焊接变形预测方法，包括：对原尺寸件中的多个焊接接头进行焊接试验，以构建每个焊接接头对应的应变模型；确定缩放比并制作原尺寸件的缩放尺寸件；基于缩放尺寸件中的每个焊接接头的固有应变修正每个焊接接头对应的应变模型；使用修正后的应变模型预测原尺寸件在焊接时的变形。

本申请实施例提供的焊接变形预测方法能够对一些尺寸较大且形状复杂的设备在焊接过程中发生的变形进行较为准确地预测，从而能够为这些设备的制造提供焊接变形控制方案，有效的节约制造周期和制造成本。

附图说明

图1为根据本申请实施例的焊接变形预测方法的流程图；

图2为根据本申请实施例的原尺寸件、缩放尺寸件及焊接接头的示意图；

图3为根据本申请实施例的原尺寸件与多个候选缩放比对应的缩放尺寸件的变形量、焊接量、耗材量的对比示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的实施例提供一种焊接变形预测方法，该方法可以被应用于对一些尺寸较大、结构较为复杂的设备在焊接制作过程中发生的变形进行预测，例如，对反应堆顶部所使用的箱式屏蔽结构在焊接过程中发生的变形进行预测。

参照图1，本申请实施提供的焊接变形预测方法包括：

步骤S102：对原尺寸件中的多个焊接接头进行焊接试验，以构建每个焊接接头对应的应变模型。

步骤S104：确定缩放比并制作原尺寸件的缩放尺寸件。

步骤S106：基于缩放尺寸件中的每个焊接接头的固有应变修正每个焊接接头对应的应变模型。

步骤S108：使用修正后的应变模型预测原尺寸件在焊接时的变形。

步骤S102中的原尺寸件是指与实际要制作的设备同等规格的设备，焊接接头是指原尺寸件上需要通过焊接进行连接的接头部位，焊接变形就发生在这些焊接接头处。本步骤中通过对这些焊接接头进行焊接试验来分别构建每个焊接接头对应的应变模型。应变模型是用于对焊接接头的变形进行预测的模型，原尺寸件上通常会设置有多个焊接接头，本实施例中针对每个焊接接头来分别构建应变模型，从而减少每个应变模型构建过程中的计算量。

在对焊接接头进行焊接试验的过程中，可以不必完成整个原尺寸件的制作，而可以仅对焊接接头的部分进行制作和焊接，来获得构建应变模型时所需要的试验数据，从而节省成本和制作时间。

步骤S104中，确定缩放比并制作原尺寸件的缩放尺寸件，可以理解地，步骤S102中构建的应变模型尽管能够进行焊接变形的预测，但是其预测的准确度可能不够，需要大量的数据来进行修正，而全部使用原尺寸件的数据来进行修正将会具有较大的成本和较长的周期。为此，本实施例中采用缩放尺寸件来对应变模型进行后续的修正。缩放尺寸件是指按照一定的比例对原尺寸件进行缩放后的设备，相较于原尺寸件而言，制作缩放尺寸件所需要的焊接工作量和耗材将会大幅度的下降。

尺寸、拘束度的改变将会对变形产生一定的影响，导致缩放尺寸件与原尺寸件的焊接变形会存在一定的差异，因此，在确定缩放比的过程中，需要尽可能的保证缩放尺寸件所发生的变形与原尺寸件的变形接近，以确保缩放尺寸件能够对应变模型进行有效的修正。本领域技术人员可以借助理论计算来比较缩放尺寸件发生的变形与原尺寸件发生的变形之间的差异，进而选择合适的缩放比，下文中将会具体介绍几种缩放比的确定方法，在此不再赘述。

图2中示出了一个实施例中的原尺寸件1和缩放尺寸件2的示意图，原尺寸件1上存在多个焊接接头11，而缩放尺寸件2上存在多个焊接接头21，焊接接头11和焊接接头21是一一对应的，即，焊接接头21与步骤S102中所构建的应变模型也是一一对应的，因此，在步骤S106中，可以实际测量缩放尺寸件2上的焊接接头21所发生的固有应变，基于该固有应变来对应变模型进行修正。

此处的固有应变是塑性应变、温度应变和相变应变三者之和，焊接构件经过一次焊接热循环后温度应变为零，考虑到焊接的实际情况，焊件局部加热到很高温度时，周围温度较低的部位不能自由伸长，对加热部分的热膨胀产生约束作用，致使焊缝及其附近的高温区累积了压缩塑性变形，可以认为固有应变仅存在于焊接接头及其附近。固有应变的具体测量方法可以参照本领域的相关技术，在此不再赘述。

由于步骤S104中制作的是完整的缩放尺寸件，而并非仅对焊接接头局部进行制作，缩放尺寸件的焊接接头发生的固有应变能够更加接近原尺寸件实际制作完成后各个焊接接头处发生的固有应变，基于这些固有应变对应变模型进行修正能够大幅度的提高应变模型在进行预测时的准确性。

步骤S104中可以制作多个缩放尺寸件，同时，步骤S106中对应变模型进行的修正可以是迭代地进行的，以进一步的保证应变模型的准确性。

在确定应变模型已经具有足够的准确性后，在步骤S108中可以借助这些应变模型来对原尺寸件发生的变形进行预测。

本申请实施例提供的焊接变形预测方法能够对一些尺寸较大且形状复杂的设备在焊接过程中发生的变形进行较为准确地预测，从而能够为这些设备的制造提供焊接变形控制方案，有效的节约制造周期和制造成本。同时，本实施例提供的方法借助缩放尺寸件来对应变模型进行修正，在保证预测准确性的同时还有效降低了预测过程中所需要的时间和成本。

在一些实施例中，步骤S102中可以具体使用热弹塑性有限元分析来构建应变模型。热弹塑性有限元分析可以模拟整个焊接过程中的动态应力和变形，不仅可得到结构的焊接变形，而且可以分析焊接残余应力，同时还可较为准确地考虑各种工艺参数的影响。由于热弹塑性有限元分析以增量的方式进行加载，因此，具有较大的计算量，而本实施例中使用热弹塑性有限元分析来分别构建每个焊接接头处的应变模型，从而有效地控制了整体的计算量。

在一些实施例中，步骤S102中构建应变模型可以具体包括：基于原尺寸件的材料本构模型和材料性能参数，使用热弹塑性有限元法构建初始模型。基于初始模型模拟焊接接头在焊接过程中的焊接温度场、残余应力分布以及焊接变形。对焊接接头进行焊接试验，以确定焊接接头在焊接试验过程中的焊接温度场、残余应力分布以及焊接变形。基于初始模型模拟的数据与焊接试验过程中的数据之间的容差调整初始模型的参数，以获得应变模型。

具体地，可以首先对原尺寸件进行测量和测试，来获得其材料本构模型和材料性能参数，材料性能参数可以包括密度、热容、传热系数、膨胀系数、弹性模量、屈服强度和泊松比等会影响焊接变形的参数，而后，可以根据实际制作过程中使用到的焊接参数以及上述数据来使用热弹塑性有限元法构建初始模型。

构建初始模型后，可以使用初始模型来模拟焊接温度场、残余应力分布以及焊接变形，并对焊接接头进行焊接试验，并在试验过程中测量实际的焊接温度场、残余应力分布以及焊接变形，基于实际测量到的数据和初始模型模拟的数据之间的容差来调整初始模型的参数，使得二者之间的容差符合预设的要求，进而将调整参数后的初始模型作为应变模型。

在一些实施例中，步骤S104中可以从多个候选缩放比中挑选最佳缩放比。候选缩放比可以是例如1：2、1：3、1：5等，如上文中所描述地，本领域技术人员可以对这些候选缩放比下的缩放尺寸件进行理论计算，选择变形量较为接近原尺寸件的候选缩放比来作为最佳缩放比。

在一些实施例中，具体地，确定缩放比可以包括：模拟原尺寸件和多个候选缩放比下的缩放尺寸件的各自对应的多个焊接接头的固有应变。基于模拟的固有应变确定原尺寸件以及多个候选缩放比下的缩放尺寸件各自的变形量。基于变形量以确定最佳缩放比。

本实施例中，对原尺寸件和多个候选缩放比下的缩放尺寸件的焊接接头所发生的的固有应变进行模拟，而后计算总变形量，变形量是将每个焊接接头的固有应变加载到整体结构中所获得的变形数据，原尺寸件的变形量和缩放尺寸件的变形量可以进行均一化处理，以使其能够反应二者之间变形程度的差异。基于该变形量来确定最佳缩放比能够确保该最佳缩放比下的缩放尺寸件的每个焊接接头所发生的变形均较为接近原尺寸件的焊接接头所发生的变形。

在一些实施例中，可以使用相同的边界条件来模拟原尺寸件和多个候选缩放比下的缩放尺寸件的各自对应的多个焊接接头的固有应变。作为示例地，可以在设定边界调节后，使用热弹塑性有限元法进行模拟。

在一些实施例中，边界条件包括实际制作原尺寸件时的工艺和工况。即，采用与实际制作过程中相同的焊接条件进行模拟，以排除焊接条件不同所造成的影响。

在一些实施例中，也可以使用步骤S102中所构建的应变模型来模拟原尺寸件和多个候选缩放比下的缩放尺寸件的每个焊接接头的固有应变。

在一些实施例中，还可以进一步的确定多个候选缩放比下的缩放尺寸件各自的焊接量和耗材量，此处的焊接量为缩放尺寸件制作时的焊接工作量，耗材量为缩放尺寸件制作时的耗材用量；基于变形量、焊接量和耗材量确定最佳缩放比。

图3为一个实施例中原尺寸件与不同的候选缩放比下的变形量、焊接量和耗材量的对比示意图，其中，色块31为变形量，色块32未焊接量，色块33为耗材量，1：1为原尺寸件，可以看出，1：2和1：3缩放比下的缩放尺寸件的变形量与原尺寸件的变形量较为接近，但是1：3缩放比下的缩放尺寸件相较于1：2缩放比下的缩放尺寸件而言，焊接量和耗材量明显减少，因此选择1：3作为最佳缩放比来制作缩放尺寸件。

本实施例中，综合考虑了变形量、焊接量和耗材量来选择最佳缩放比，从而在保证准确性的同时节省时间和成本。

在一些实施例中，步骤S106中修正应变模型可以具体包括：基于应变模型模拟缩放尺寸件的焊接接头的固有应变；测量缩放尺寸件的焊接接头实际发生的固有应变；对模拟的焊接接头的固有应变和焊接接头实际发生的固有应变进行比较分析；基于比较分析的结果修正应变模型的一个或多个因子。

具体地，可以首先基于应变模型来模拟缩放尺寸件的焊接接头的焊接过程，从而获得固有应变。而后，对缩放尺寸件的焊接接头实际发生的固有应变来进行测量，而后对二者进行比较分析，基于比较分析的结果来修正应变模型中的一个或多个因子。如上文中所描述地，该过程可以是迭代地进行的，直到应变模型模拟的固有应变与实际测量的固有应变之间的差异满足预设要求。

本实施例中，主要借助固有应变来完成应变模型的修正，而不再对缩放尺寸件实际焊接过程中的焊接温度场等数据进行测量，以减少计算量。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种焊接变形预测方法，包括：

对原尺寸件中的多个焊接接头进行焊接试验，以构建每个所述焊接接头对应的应变模型；

确定缩放比并制作所述原尺寸件的缩放尺寸件；

基于所述缩放尺寸件中的每个所述焊接接头的固有应变修正每个所述焊接接头对应的所述应变模型；

使用修正后的所述应变模型预测所述原尺寸件在焊接时的变形；

构建所述应变模型包括：

基于所述原尺寸件的材料本构模型和材料性能参数，使用热弹塑性有限元法构建初始模型；

基于所述初始模型模拟所述焊接接头在焊接过程中的焊接温度场、残余应力分布以及焊接变形；

对所述焊接接头进行焊接试验，以确定所述焊接接头在所述焊接试验过程中的焊接温度场、残余应力分布以及焊接变形；

基于所述初始模型模拟的数据与所述焊接试验过程中的数据之间的容差调整所述初始模型的参数，以获得所述应变模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定缩放比包括：

从多个候选缩放比中挑选最佳缩放比。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述确定缩放比包括：

模拟所述原尺寸件和所述多个候选缩放比下的缩放尺寸件的各自对应的多个所述焊接接头的固有应变；

基于模拟的固有应变确定所述原尺寸件以及所述多个候选缩放比下的缩放尺寸件各自的变形量；

基于所述变形量以确定所述最佳缩放比。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，模拟所述变形量包括：

使用相同的边界条件模拟所述原尺寸件和所述多个候选缩放比下的缩放尺寸件的各自对应的多个所述焊接接头的固有应变。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述边界条件包括实际制作所述原尺寸件时的工艺和工况。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，模拟所述变形量包括：

使用所述应变模型模拟所述原尺寸件和所述多个候选缩放比下的缩放尺寸件的每个所述焊接接头的固有应变。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述确定缩放比还包括：

确定所述多个候选缩放比下的缩放尺寸件各自的焊接量和耗材量，所述焊接量为所述缩放尺寸件制作时的焊接工作量，所述耗材量为所述缩放尺寸件制作时的耗材用量；

基于所述变形量、所述焊接量和所述耗材量确定所述最佳缩放比。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，修正所述应变模型包括：

基于所述应变模型模拟所述缩放尺寸件的所述焊接接头的固有应变；

测量所述缩放尺寸件的所述焊接接头实际发生的固有应变；

对模拟的所述焊接接头的固有应变和所述焊接接头实际发生的固有应变进行比较分析；

基于所述比较分析的结果修正所述应变模型的一个或多个因子。