一種焊接變形分析預測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種焊接變形分析預測方法，屬于焊接【技術領域】。其包括：（1）實際測量步驟；（2）對所述焊接模擬件進行計算機輔助工程（CAE）分析步驟；（3）對整個焊接工件的CAE分析步驟。該焊接變形分析預測方法使焊接變形的分析預測準確可靠，從而可以有效地優(yōu)化焊接方法，非常有利于減小焊接變形量。
【專利說明】一種焊接變形分析預測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接【技術領域】，涉及一種焊接變形分析預測方法。
【背景技術】
[0002]在焊接過程中，不均勻的加熱使得焊縫及其附近的溫度很高，而焊縫遠處的大部分金屬不受熱，這樣，不受熱的冷金屬便阻礙了焊縫及近焊縫區(qū)金屬的膨脹和收縮，冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應力，這樣也就是通常說的焊接殘余應力。這種殘余應力會直接對焊接形成的工件的變形造成影響。因此，焊接形成的工件中會產(chǎn)生不同程度的變形，即焊接變形。
[0003]為滿足焊接工件的產(chǎn)品質(zhì)量要求，特別是焊接變形量方面的要求，可以采用實際的焊接試驗工件進行焊接調(diào)試，以設計出相對合理的焊接方法。但是，這樣的設計調(diào)試過程時間長、工作量大、調(diào)試樣件數(shù)量多、成本高。因此，在對工件焊接方法過程中，迫切需要引入計算機輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)進行仿真分析，以預測焊接變形量，從而可以簡化設計調(diào)試過程。
[0004]目前，在焊接設計過程中，采用二維殼單元進行焊縫的仿真分析，其將焊縫結構作為母材的一部分，根本沒有考慮由于焊接過程中產(chǎn)生的殘余應力。有鑒于此，有必要提出一種新的焊接變形預測方法，以滿足焊接工件的焊接變形要求、優(yōu)化焊接方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一在于，提出一種可至少基于焊接殘余應力來預測分析焊接工件的焊接變形的方法。
[0006]本發(fā)明的又一目的在于，減小焊接工件的焊接變形。
[0007]為實現(xiàn)以上目的或者其他目的，本發(fā)明提供一種焊接變形分析預測方法，其包括:
(1)實際測量步驟:
(Ia)在采用既定焊接方法生產(chǎn)焊接工件的過程中，記錄各焊縫在其相應的焊接過程中的實際溫度變化曲線；
(Ib)在所述焊接工件中確定焊縫作為焊接模擬件；
(Ic)對所述焊接模擬件進行殘余應力測量；
(2)對所述焊接模擬件進行計算機輔助工程(CAE)分析步驟:
對所述焊接模擬件應用三維立體單元建立CAE模型，調(diào)整熱源參數(shù)使基于該CAE模型得到的所述焊接模擬件的模擬溫度變化曲線與其對應的實際溫度變化曲線基本相符合，并且使基于該CAE模型得到的所述焊接模擬件的模擬殘余應力與步驟(Ic)中測量的相應殘余應力基本相符合；
(3)對整個焊接工件的CAE分析步驟:
(3a)將所述焊接模擬件的CAE分析方法擴展應用至整個焊接工件以建立所述焊接工件的CAE模型，按照焊接工序相應調(diào)整熱源參數(shù)，使每個焊縫的模擬溫度變化曲線與其對應的實際溫度變化曲線基本相符合；
(3b)基于所述焊接工件的CAE模型模擬分析整個焊接工件的各焊接工位的焊接變形量，以實現(xiàn)對實際焊接過程中該焊接工件的各焊接工位的焊接變形的預測。
[0008]按照本發(fā)明一實施例的焊接變形分析預測方法，其中，如果某一焊接工位的所述焊接變形量大于預定值，則改進該焊接工位的相應焊縫的既定焊接方法以減小焊接變形，直到該焊接工位的焊接變形量小于或等于所述預定值。
[0009]按照本發(fā)明又一實施例的焊接變形分析預測方法，其中，在所述步驟(Ic)中，對所述焊接模擬件進行拉力試驗以測量出所述焊接模擬件的焊縫開裂載荷。
[0010]按照本發(fā)明還一實施例的焊接變形分析預測方法，其中，其特征在于，在建立CAE模型過程中，加入移動熱源以建立所述焊接工件的溫度場模型。
[0011]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，所述CAE模型為有限元分析(FEA)模型。
[0012]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，所述焊接工件可以為汽車上的扭桿梁后橋。
[0013]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，所述焊接模擬件可以為扭桿梁后橋的襯套管與懸架臂之間的焊縫。
[0014]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，所述既定焊接方法可以采用二氧化碳氣體保護焊。
[0015]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，所述步驟(Ic)中，殘余應力測量采用應變片，在指定位點貼所述應變片，對所述應變片的中間鉆孔以釋放焊接時產(chǎn)生的殘余應力，通過測量應變的變化得到所述指定點的殘余應力。
[0016]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，改進既定焊接方法包括模擬改變焊接順序和/或改變焊接方向。
[0017]在之前所述任一實施例焊接變形分析預測方法中，優(yōu)選地，在所述步驟(2)和(3a)中，應用單元生死法模擬實際焊接過程。
[0018]本發(fā)明的技術效果是，該焊接變形分析預測方法中，采用了三維體單元，按照焊縫的實際尺寸建模，模擬溫度變化曲線與其對應的實際溫度變化曲線基本相符合，并且使基于該CAE模型得到的所述焊接模擬件的模擬殘余應力與實際測量的相應殘余應力基本相符合，因此，充分考慮了焊接的殘余應力對焊接變形的影響，使焊接變形的分析預測準確可靠，從而可以有效地優(yōu)化焊接方法，非常有利于減小焊接變形量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]從結合附圖的以下詳細說明中，將會使本發(fā)明的上述和其他目的及優(yōu)點更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的標號表示。
[0020]圖1是按照本發(fā)明一實施例的焊接變形分析預測方法流程示意圖。
[0021]圖2是扭桿梁后橋的一視角立體狀態(tài)示意圖。
[0022]圖3是扭桿梁后橋的又一視角立體狀態(tài)示意圖。
[0023]圖4是測量的實際溫度變化曲線示意圖。[0024]圖5是在本實施例中選擇的焊接模擬件的結構示意圖。
[0025]圖6是殘余應力測量實施例的應變片、孔和焊縫的位置示意圖。
[0026]圖7是主應力與σ χ、σ y的關系不意圖。
[0027]圖8是焊接模擬件的CAE模型示意圖。
[0028]圖9是焊接模擬件的模擬溫度變化曲線與實際溫度變化曲線之間的匹配示意圖，其中圖9 (a)為實際溫度變化曲線，圖9 (b)為模擬溫度變化曲線。
[0029]圖10是焊接模擬件的模擬殘余應力與實際殘余應力之間的匹配示意圖，其中圖10 (a)為若干測量點的縱向殘余應力的比對示意圖，圖10 (b)為若干測量點的橫向殘余應力的比對示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面介紹的是本發(fā)明的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本發(fā)明的基本了解，并不旨在確認本發(fā)明的關鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據(jù)本發(fā)明的技術方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神下，本領域的一般技術人員可以提出可相互替換的其他實現(xiàn)方式。因此，以下【具體實施方式】以及附圖僅是對本發(fā)明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術方案的限定或限制。
[0031]圖1所示為按照本發(fā)明一實施例的焊接變形分析預測方法流程示意圖。對于該實施例的焊接變形分析預測方法，將結合汽車中使用的扭桿梁后橋進行示例說明，也即焊接工件選擇扭桿梁后橋。需要理解的是，該發(fā)明的焊接變形分析預測方法也可以應用于其他的薄板低碳鋼的焊接工件。
[0032]圖2所示為扭桿梁后橋的一視角立體狀態(tài)示意圖，圖3所示為扭桿梁后橋的又一視角立體狀態(tài)示意圖。扭桿梁后橋包括襯套管11、橫梁12、懸架臂13、彈簧盤14、減振器支架15、加強板16和側向加強板17等部件。為實現(xiàn)各個部件之間的固定連接并保證其承載能力，需要在其各個焊接工位(例如，I工位、II工位、III工位、IV工位、V工位)處焊接一條或多條焊縫。其焊接變形分析預測方法中考慮了焊接的殘余應力(例如焊接過程局部產(chǎn)生的熱載荷所導致)對焊接形成的影響，并且可以預測各焊接工位的焊縫之間的焊接順序、焊縫之間的相對焊接方向等對焊接變形影響，從而可以用來改進其焊接方法。以下結合圖1至圖10詳細示例說明焊接變形分析預測方法過程。
[0033]首先，步驟S110，采用既定焊接方法生產(chǎn)焊接工件的過程中，記錄各焊縫在其相應的焊接過程中的實際溫度變化曲線。
[0034]在該實施例中，具體地，既定焊接方法中可以采用CO2氣體保護焊焊接所有焊縫，焊接設備、焊絲、保護氣體等可以是選擇確定的，例如，焊接設備的型號具體為M0T0WELD-EH500電源，焊絲具體為JM56，保護氣體具體為:80%氬氣和20%。但是，這不是限制性的，根據(jù)焊接工件的焊接要求等，可以具體選擇確定。需要理解的是，既定的焊接方法可以為傳統(tǒng)的或者針對該焊接工件已有的焊接方法，其焊接工藝參數(shù)是本領域技術人員所能確定的。
[0035]在實際焊接生產(chǎn)現(xiàn)場，記錄扭桿梁后橋各焊接工位的各焊縫的焊接過程中的溫度變化情況和實際焊接時間，具體可以采用熱電偶點焊儀將熱電偶焊接在扭桿梁后橋各部件上，采用示波儀記錄焊接過程中的溫度變化，根據(jù)記錄的溫度數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)，得到如圖4所示的實際溫度變化曲線。需要說明的是，圖4所示的實際溫度變化曲線是對應于某一焊縫的曲線，焊縫方法需要改進的每個焊接工位的每個焊縫所對應的實際溫度變化曲線均需要測量。
[0036]進一步，步驟S120，確定一焊縫作為焊接模擬件。
[0037]在該實施例中，如圖5所示，選擇懸架臂13和襯套管11連接位置的焊縫91作為焊接模擬件。焊縫91大致25mm長，在后續(xù)步驟中，針對該焊縫91做拉力試驗和殘余應力測量。
[0038]需要說明的是，作為模擬件的焊縫不限于本實施例的一條，其也可以為多條，為多條時，需要針對每條焊縫重復以下步驟S130、S210。因此，數(shù)量越多工作量越大，但是結果可能更準確。焊接模擬件的選擇可以根據(jù)以下步驟S130中拉力實驗是否容易實施、受其他因素影響大小來確定，一般地，選擇焊縫形狀為直線、焊縫長度相對較短的焊縫作為焊接模擬件，但是這不是限制性的。
[0039]進一步，步驟S130，對焊接模擬件進行殘余應力測量，并進行拉力試驗。
[0040]具體地，拉力試驗中，將焊接模擬件(包括懸架臂13和襯套管11)的兩端固定在拉力試驗機上，逐漸加載，直到焊縫91開裂，測量開裂時的焊縫開裂載荷。為使焊縫開裂載荷更精準，可以選擇多個相同的焊接模擬件重復測量，取其平均值。具體測量結果如下表1所示，焊縫91的焊縫斷裂載荷可以確定為74KN (千牛)。
[0041]表1拉力試驗
【權利要求】
1.一種焊接變形分析預測方法，其特征在于，包括: (1)實際測量步驟: (Ia)在采用既定焊接方法生產(chǎn)焊接工件的過程中，記錄各焊縫在其相應的焊接過程中的實際溫度變化曲線； (Ib)在所述焊接工件中確定焊縫作為焊接模擬件； (Ic)對所述焊接模擬件進行殘余應力測量； (2)對所述焊接模擬件進行計算機輔助工程(CAE)分析步驟: 對所述焊接模擬件應用三維立體單元建立CAE模型，調(diào)整熱源參數(shù)使基于該CAE模型得到的所述焊接模擬件的模擬溫度變化曲線與其對應的實際溫度變化曲線基本相符合，并且使基于該CAE模型得到的所述焊接模擬件的模擬殘余應力與步驟(Ic)中測量的相應殘余應力基本相符合； (3)對整個焊接工件的CAE分析步驟: (3a)將所述焊接模擬件的CAE分析方法擴展應用至整個焊接工件以建立所述焊接工件的CAE模型，按照焊接工序相應調(diào)整熱源參數(shù)，使每個焊縫的模擬溫度變化曲線與其對應的實際溫度變化曲線基本相符合； (3b)基于所述焊接工件的CAE模型模擬分析整個焊接工件的各焊接工位的焊接變形量，以實現(xiàn)對實際焊接過程中該焊接工件的各焊接工位的焊接變形的預測。
2.如權利要求1所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，如果某一焊接工位的所述焊接變形量大于預定值，則改進該焊接工位的相應焊縫的既定焊接方法以減小焊接變形，直到該焊接工位的焊接變形量小于或等于所述預定值。
3.如權利要求1所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，在所述步驟(Ic)中，對所述焊接模擬件進行拉力試驗以測量出所述焊接模擬件的焊縫開裂載荷。
4.如權利要求1至3中任一項所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，在建立CAE模型過程中，加入移動熱源以建立所述焊接工件的溫度場模型。
5.如權利要求1至4中任一項所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，所述CAE模型為有限元分析(FEA)模型。
6.如權利要求1至5中任一項所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，所述焊接工件為汽車上的扭桿梁后橋。
7.如權利要求6所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，所述焊接模擬件為扭桿梁后橋的襯套管與懸架臂之間的焊縫。
8.如權利要求6所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，所述既定焊接方法采用二氧化碳氣體保護焊。
9.如權利要求1至6中任一項所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，所述步驟(Ic)中，殘余應力測量采用應變片，在指定位點貼所述應變片，對所述應變片的中間鉆孔以釋放焊接時產(chǎn)生的殘余應力，通過測量應變的變化得到所述指定點的殘余應力。
10.如權利要求3所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，改進既定焊接方法包括模擬改變焊接順序和/或改變焊接方向。
11.如權利要求1所述的焊接變形分析預測方法，其特征在于，在所述步驟(2)和(3a)中，應用單元生死法模擬實際焊接過程。
【文檔編號】G06F17/50GK104008219SQ201310060406
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年2月26日 優(yōu)先權日:2013年2月26日
【發(fā)明者】謝騁, 趙永昌, 陳璟, 王蠡 申請人:上海通用汽車有限公司, 泛亞汽車技術中心有限公司