一种焊接变形分析预测方法

摘要

本发明提供一种焊接变形分析预测方法，属于焊接技术领域。其包括：（1）实际测量步骤；（2）对所述焊接模拟件进行计算机辅助工程（CAE）分析步骤；（3）对整个焊接工件的CAE分析步骤。该焊接变形分析预测方法使焊接变形的分析预测准确可靠，从而可以有效地优化焊接方法，非常有利于减小焊接变形量。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种焊接变形分析预测方法。

背景技术

在焊接过程中，不均匀的加热使得焊缝及其附近的温度很高，而焊缝远处的大部分金属不受热，这样，不受热的冷金属便阻碍了焊缝及近焊缝区金属的膨胀和收缩，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力，这样也就是通常说的焊接残余应力。这种残余应力会直接对焊接形成的工件的变形造成影响。因此，焊接形成的工件中会产生不同程度的变形，即焊接变形。

为满足焊接工件的产品质量要求，特别是焊接变形量方面的要求，可以采用实际的焊接试验工件进行焊接调试，以设计出相对合理的焊接方法。但是，这样的设计调试过程时间长、工作量大、调试样件数量多、成本高。因此，在对工件焊接方法过程中，迫切需要引入计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）进行仿真分析，以预测焊接变形量，从而可以简化设计调试过程。

目前，在焊接设计过程中，采用二维壳单元进行焊缝的仿真分析，其将焊缝结构作为母材的一部分，根本没有考虑由于焊接过程中产生的残余应力。有鉴于此，有必要提出一种新的焊接变形预测方法，以满足焊接工件的焊接变形要求、优化焊接方法。

发明内容

本发明的目的之一在于，提出一种可至少基于焊接残余应力来预测分析焊接工件的焊接变形的方法。

本发明的又一目的在于，减小焊接工件的焊接变形。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种焊接变形分析预测方法，其包括：

（1）实际测量步骤：

（1a）在采用既定焊接方法生产焊接工件的过程中，记录各焊缝在其相应的焊接过程中的实际温度变化曲线；

（1b）在所述焊接工件中确定焊缝作为焊接模拟件；

（1c）对所述焊接模拟件进行残余应力测量；

（2）对所述焊接模拟件进行计算机辅助工程（CAE）分析步骤：

对所述焊接模拟件应用三维立体单元建立CAE模型，调整热源参数使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合，并且使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟残余应力与步骤（1c）中测量的相应残余应力基本相符合；

（3）对整个焊接工件的CAE分析步骤：

（3a）将所述焊接模拟件的CAE分析方法扩展应用至整个焊接工件以建立所述焊接工件的CAE模型，按照焊接工序相应调整热源参数，使每个焊缝的模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合；

（3b）基于所述焊接工件的CAE模型模拟分析整个焊接工件的各焊接工位的焊接变形量，以实现对实际焊接过程中该焊接工件的各焊接工位的焊接变形的预测。

按照本发明一实施例的焊接变形分析预测方法，其中，如果某一焊接工位的所述焊接变形量大于预定值，则改进该焊接工位的相应焊缝的既定焊接方法以减小焊接变形，直到该焊接工位的焊接变形量小于或等于所述预定值。

按照本发明又一实施例的焊接变形分析预测方法，其中，在所述步骤（1c）中，对所述焊接模拟件进行拉力试验以测量出所述焊接模拟件的焊缝开裂载荷。

按照本发明还一实施例的焊接变形分析预测方法，其中，其特征在于，在建立CAE模型过程中，加入移动热源以建立所述焊接工件的温度场模型。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，所述CAE模型为有限元分析（FEA）模型。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，所述焊接工件可以为汽车上的扭杆梁后桥。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，所述焊接模拟件可以为扭杆梁后桥的衬套管与悬架臂之间的焊缝。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，所述既定焊接方法可以采用二氧化碳气体保护焊。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，所述步骤（1c）中，残余应力测量采用应变片，在指定位点贴所述应变片，对所述应变片的中间钻孔以释放焊接时产生的残余应力，通过测量应变的变化得到所述指定点的残余应力。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，改进既定焊接方法包括模拟改变焊接顺序和/或改变焊接方向。

在之前所述任一实施例焊接变形分析预测方法中，优选地，在所述步骤（2）和（3a）中，应用单元生死法模拟实际焊接过程。

本发明的技术效果是，该焊接变形分析预测方法中，采用了三维体单元，按照焊缝的实际尺寸建模，模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合，并且使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟残余应力与实际测量的相应残余应力基本相符合，因此，充分考虑了焊接的残余应力对焊接变形的影响，使焊接变形的分析预测准确可靠，从而可以有效地优化焊接方法，非常有利于减小焊接变形量。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的焊接变形分析预测方法流程示意图。

图2是扭杆梁后桥的一视角立体状态示意图。

图3是扭杆梁后桥的又一视角立体状态示意图。

图4是测量的实际温度变化曲线示意图。

图5是在本实施例中选择的焊接模拟件的结构示意图。

图6是残余应力测量实施例的应变片、孔和焊缝的位置示意图。

图7是主应力与σ_x、σ_y的关系示意图。

图8是焊接模拟件的CAE模型示意图。

图9是焊接模拟件的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线之间的匹配示意图，其中图9（a）为实际温度变化曲线，图9（b）为模拟温度变化曲线。

图10是焊接模拟件的模拟残余应力与实际残余应力之间的匹配示意图，其中图10（a）为若干测量点的纵向残余应力的比对示意图，图10（b）为若干测量点的横向残余应力的比对示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

图1所示为按照本发明一实施例的焊接变形分析预测方法流程示意图。对于该实施例的焊接变形分析预测方法，将结合汽车中使用的扭杆梁后桥进行示例说明，也即焊接工件选择扭杆梁后桥。需要理解的是，该发明的焊接变形分析预测方法也可以应用于其他的薄板低碳钢的焊接工件。

图2所示为扭杆梁后桥的一视角立体状态示意图，图3所示为扭杆梁后桥的又一视角立体状态示意图。扭杆梁后桥包括衬套管11、横梁12、悬架臂13、弹簧盘14、减振器支架15、加强板16和侧向加强板17等部件。为实现各个部件之间的固定连接并保证其承载能力，需要在其各个焊接工位（例如，Ⅰ工位、Ⅱ工位、Ⅲ工位、Ⅳ工位、Ⅴ工位）处焊接一条或多条焊缝。其焊接变形分析预测方法中考虑了焊接的残余应力（例如焊接过程局部产生的热载荷所导致）对焊接形成的影响，并且可以预测各焊接工位的焊缝之间的焊接顺序、焊缝之间的相对焊接方向等对焊接变形影响，从而可以用来改进其焊接方法。以下结合图1至图10详细示例说明焊接变形分析预测方法过程。

首先，步骤S110，采用既定焊接方法生产焊接工件的过程中，记录各焊缝在其相应的焊接过程中的实际温度变化曲线。

在该实施例中，具体地，既定焊接方法中可以采用CO₂气体保护焊焊接所有焊缝，焊接设备、焊丝、保护气体等可以是选择确定的，例如，焊接设备的型号具体为 MOTOWELD-EH500电源，焊丝具体为JM56，保护气体具体为：80%氩气和20%。但是，这不是限制性的，根据焊接工件的焊接要求等，可以具体选择确定。需要理解的是，既定的焊接方法可以为传统的或者针对该焊接工件已有的焊接方法，其焊接工艺参数是本领域技术人员所能确定的。

在实际焊接生产现场，记录扭杆梁后桥各焊接工位的各焊缝的焊接过程中的温度变化情况和实际焊接时间，具体可以采用热电偶点焊仪将热电偶焊接在扭杆梁后桥各部件上，采用示波仪记录焊接过程中的温度变化，根据记录的温度数据和时间数据，得到如图4所示的实际温度变化曲线。需要说明的是，图4所示的实际温度变化曲线是对应于某一焊缝的曲线，焊缝方法需要改进的每个焊接工位的每个焊缝所对应的实际温度变化曲线均需要测量。

进一步，步骤S120，确定一焊缝作为焊接模拟件。

在该实施例中，如图5所示，选择悬架臂13和衬套管11连接位置的焊缝91作为焊接模拟件。焊缝91大致25mm长，在后续步骤中，针对该焊缝91做拉力试验和残余应力测量。

需要说明的是，作为模拟件的焊缝不限于本实施例的一条，其也可以为多条，为多条时，需要针对每条焊缝重复以下步骤S130、S210。因此，数量越多工作量越大，但是结果可能更准确。焊接模拟件的选择可以根据以下步骤S130中拉力实验是否容易实施、受其他因素影响大小来确定，一般地，选择焊缝形状为直线、焊缝长度相对较短的焊缝作为焊接模拟件，但是这不是限制性的。

进一步，步骤S130，对焊接模拟件进行残余应力测量，并进行拉力试验。

具体地，拉力试验中， 将焊接模拟件（包括悬架臂13和衬套管11）的两端固定在拉力试验机上，逐渐加载，直到焊缝91开裂，测量开裂时的焊缝开裂载荷。为使焊缝开裂载荷更精准，可以选择多个相同的焊接模拟件重复测量，取其平均值。具体测量结果如下表1所示，焊缝91的焊缝断裂载荷可以确定为74KN（千牛）。

                 表1  拉力试验

试样编号123平均值焊缝断裂载荷/KN84706874

残余应力测量中，如图6所示，在悬架臂13的指定位置贴多片应变片81、82、83，应变片81、82、83之间的角度差为135°，通过在应变片的中间钻孔131，释放焊接形成焊缝91时产生的残余应力。通过测量悬架臂13上的应变的变化得到焊缝周围测量点的应力。具体测量结果如下表2所示，其中，ε₀为应变片81测试的应变，ε₄₅为应变片83测试的应变，ε₉₀为应变片82测试的应变，ε_x为垂直焊缝91方向的应变，ε_y为平行焊缝91方向的应变， σ_x为垂直焊缝91方向的主应力，σ_y为平行焊缝91方向的主应力，σ_x和σ_y可以通过残余应力计算公式计算得出。图7所示为主应力与σ_x、σ_y的关系示意图。具体地，可以通过以下方法计算σ_x和σ_y。

如图7所示，主应力σ₁、σ₂通过以下关系式（1）、（2）、（3）计算：

        （1）

       （2）

                                      （3）

注意：代入的时候要注意单位换算，弹性模量的单位是GPa，所测得的应变的数量级为10^-6。

σ_x、σ_y应力通过以下关系式（4）和（5）计算：

                   （4）

                      （5）

其中，关系式（1）、（2）中的A、B是应变释放系数；根据文献《盲孔法测量残余应力A、B系数计算公式讨论》可知在不同材料上测量影响A、B系数的因素就只有泊松比ν这个参数，并且得出了计算盲孔应变释放系数的公式，通过与试验标定值进行对比，若ν从0.28到0.40，对A的影响是线性增大5%左右，对B的影响是呈线性减小2.5%左右，被测材料泊松比ν对A系数的影响大些，对B系数的影响小些。

最后计算得出如表2所示的残余应力结果。

表2残余应力测量

以上步骤S110至S130可以在生产现场调查完成，所以也通称为实际测量步骤。

进一步，步骤S210，对焊接模拟件应用三维立体单元建立CAE模型。

在该实施例中，采用对ANSYS^?软件模拟件进行CAE（计算机辅助工程）建模，从而建立焊接模拟件的CAE模型。具体可以采用三维体单元SOLID70建立有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）模型，如图8所示。同时通过采用移动热源，在FEA模型中建立温度场，应用单元生死法模拟实际焊缝91的焊接过程，模拟得到相应的测温点的模拟温度变化曲线。进一步，调整热源参数，使测温点的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线基本相符合。

图9所示为焊接模拟件的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线之间的匹配示意图，其中图9（a）为实际温度变化曲线，图9（b）为模拟温度变化曲线。可以通过至少调整热源参数，使图9（b）的模拟温度变化曲线与图9（a）的实际温度变化曲线（在步骤S110中测量得到）基本相一致。从而使CAE模型考虑了温度场的影响，模型更准确并反映实际情况。

在该步骤中，优选地，还进行在CAE模型（在该实施例中也称为ANSYS模型）中测量焊接模拟件的测量点的残余应力，该测量点与步骤S130的残余应力测量的测量点相对应，同样调整热源参数，将模拟得到的模拟残余应力与步骤S130测试得到的实测残余应力进行比对，使二者之间趋势一致, 数量级相同，即实现二者之间相符合，如图10所示。这样使模型相对准确地反映焊接导致的残余应力。

以上步骤S210是对如图5所示的焊接模拟件进行CAE分析，其应用了FEA方法。

进一步，步骤S310，建立整个焊接工件的CAE模型。

将焊接模拟件的分析方法扩展应用到整个扭杆梁后桥，应用ANSYS^?软件，模拟得到整个扭杆梁后桥的CAE模型，按焊接工序调整热源参数，类似于步骤S210和图9，使每个焊缝的模拟温度变化曲线与实际温度变化曲线基本相符。

进一步，步骤S320，分析整个焊接工件的各焊接工位的焊接变形量。

在该步骤中，基于以上得出的焊接工件的CAE模型模，根据ANSYS^?软件局部加热模拟焊接过程，由于局部热量变化会导致焊接工件内部发生局部应变，反映到焊接工件上即为焊接变形。从焊接工件的整体考虑，基于CAE模型模在ANSYS^?软件中模拟得出各个焊接工位的焊接变形量，从而可以预测出基于既定焊接方法由于焊接所导致的焊接变形。在该实施例中，具体的焊接变形量如以下表3所示。

表3   分析得出的各焊接工位的焊接变形量

 

在一优选实施例中，进一步，步骤S320，判断焊接变形量是否大于预定值。在该步骤中，根据扭杆梁后桥的具体情况，设定焊接变形的接受要求为不超过2mm，也即预定值设为2mm。这样，扭杆梁后桥的Ⅲ工位的焊接变形量达到8.6mm，其不满足焊接变形要求，需要对其进行焊接工艺优化，因此，进入步骤S410。这样，可以预测扭杆梁后桥的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ工位的焊接变形量符合要求，因此进入步骤S340，即不对既定焊接方法进行改进。

进一步，步骤S410，改进相应焊接工位的既定焊接方法。

在该步骤中，例如，改进焊接工位Ⅲ的相应焊缝的既定焊接方法以减小其焊接变形量，直至其焊接变形量小于或等于2mm。

影响焊接变形的因素主要有：（1）焊接方法，广义的焊接方法包括焊接方法类型（例如，气体保护焊等），还包括焊接顺序（多条焊缝之间的焊接顺序）、焊接方向（同一焊缝的焊接方向）等，也还包括焊接工艺参数（例如电流、电压），此处的焊接方法主要是指广义的焊接方法；（2）焊接设备；（3）焊接件的结构。具体地，在焊接件的结构不变的情况下，可以改进既定焊接方法来减小焊接变形， 在该实施例中，从模拟改变焊接工位Ⅲ的焊接顺序、焊接工位Ⅲ的焊缝的焊接方向等方面着手来减小焊接变形。

需要理解的是，在步骤S140中，模拟改进既定焊接方法后，可以重复类似地执行步骤S310和S320，从而可以分析预测出焊接方法改进后的焊接变形量以判断其是否小于或等于预定值。

至此，图1所示的焊接变形分析预测方法基本结束。以上实施例通过对典型的扭杆梁后桥的焊接进行研究，通过合理选择焊接模拟件进行试验检测，确定焊接模拟件FEA模型与实物焊接工件的实际温度变化曲线和残余应力水平相符，然后将该方法推广应用到整个扭杆梁后桥，分析扭杆梁后桥的焊接变形情况，从而可以分析预测出基于某一焊接方法焊接变形量。进一步，可以基于该分析预测方法，对于焊接变形超出要求的焊接工位进行焊接方法的优化，从而可以使焊接调试过程更加简单有效，更有效地减小焊接变形量。

需要理解是，经过以上的焊接变形分析预测方法是基于扭杆梁后桥进行示意说明的，本领域技术人员根据以上教导和/或启示，可以将该设计方法推广地应用至其他焊接工件的焊接变形分析预测中，以有效地减小其焊缝工位的焊接变形。

以上例子主要说明了本发明的焊接变形分析预测方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。