(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710291189.8
(22)申请日 2017.04.28
(71)申请人 宝山钢铁股份有限公司
地址 201900 上海市宝山区富锦路885号
(72)发明人 王小杰 屈朝霞 夏立乾
(74)专利代理机构 北京金信知识产权代理有限
公司 11225
代理人 刘锋 张晓丹
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
(54)发明名称一种焊接反变形量的计算方法(57)摘要本发明公开了的一种焊接角反变形量的计算方法，根据预制反变形量和焊接工况建立待焊工件的温度场与变形场的二维几何模型，基于二维几何模型、待焊工件的物理性能、力学性能、焊接热源等建立热传导方程、热弹塑性控制方程，基于非线性有限元分 析软件求解上述固态热传导方程和热弹塑性方程以求得焊接过程中的温度场和焊接角变形量，最后根据预设反变形量、焊接角变形量和变形量目标值确定待焊工件的焊接反变形量。本发明的焊接角反变形量的计算方法，相较于传统的利用三维模型进行分析的方式，可以降低系统的计算量，在高效、低成本地得到待焊工件的焊接反变形量的同时，保证计算结
果的准确性。权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 108804725 A 2018.11.13
C N 108804725
A
1.一种焊接反变形量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据预设反变形量和焊接工况，建立待焊工件的温度场与变形场的二维几何模型；S2、根据焊接热源的加载方式、所述焊接热源的加载时间和所述待焊工件的物理性能，建立热传导方程，确定二维几何模型加载焊接热源时的温度场； S3、对所述二维几何模型设置位移约束条件，根据所述温度场、所述位移约束条件和所述待焊工件的力学性能，通过热弹塑性控制方程确定所述二维几何模型加载预设反变形量后的焊接角变形量；
S4、设置所述待焊工件加载预设反变形量后的变形量目标值，根据所述预设反变形量、所述焊接角变形量和所述变形量目标值，确定所述待焊工件的焊接反变形量。
2.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，还包括，对所述二维几何模型划分网格，将各个网格作为节点计算所述待焊工件的焊接反变形量。
3.如权利要求2所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，所述网格为非均匀网格，所述非均匀网格的密度由所述待焊工件的焊缝向周围减小。
4.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，所述焊接热源的加载方式包括：设置所述焊接热源为固定温度热源，将所述固定温度热源依次加载于所述待焊工件的焊缝上。
5.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，所述焊接热源的加载时间根据所述待焊工件的焊缝宽度和对其进行焊接的速度确定。
6.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，还包括，根据所述焊接热源加载在所述待焊工件的各焊缝的时间，采用瞬态计算方法求解所述热传导方程。
7.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，所述位移约束条件约束所述二维几何模型的焊缝的x、y两个方向的位移自由度。
8.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，所述焊接角变形量的绝对值小于所述变形量目标值时，确定所述预设反变形量为所述待焊工件的焊接反变形量。
9.如权利要求1所述的焊接角反变形量的计算方法，其特征在于，所述焊接角变形量的绝对值大于或者等于所述变形量目标值时，将所述预设反变形量和所述焊接角变形量的差值作为新的预设反变形量，并重新完成步骤S1-S5。
权 利 要 求 书1/1页CN 108804725 A
一种焊接反变形量的计算方法
技术领域
[0001]本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种对焊接角变形的反变形量的计算方法。
背景技术
[0002]焊接过程实际上是焊件局部区域加热又冷却凝固的热过程。因此，在焊接过程中，由于只对焊件的局部区域进行加热和冷却，会导致焊件的温度分布不均匀，从而导致焊件的不均匀膨胀和收缩，使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。
[0003]常见的焊接变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形。由于焊接产生的残余应力和残余变形严重影响着焊接结构的质量、装配精度和结构承载力，必须采用合适的方法予以控制。反变形法是控制焊接变形的常用方法，主要用于控制角变形和弯曲变形。反变形法通过分析焊件施焊后可能产生变形的方向和大小，在焊接前使被焊件发生大小相同、方向相反的变形，以抵消或补偿焊后发生的变形，从而达到防止焊后变形的目的。反变形法最重要的参数是反变形量的确定，如专利CN104259674A“减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法”和专利CN104438462A“一种翼缘板焊接角变形的反变形预制方法”中所述，传统的方法是通过试验反复试错，直到得到适当的反变形量。这种方法虽然可行，但是试验成本大，效率低，材料和工艺一旦改变，反变形量必须重新确定。
[0004]现有技术中，也有采用数值模拟技术对焊接变形进行优化的方法。但目前的焊接角变形的有限元模型都是三维模型，而且建模时未考虑预制反变形，直接采用平板方式进行建模。由于焊接热弹塑性分析的复杂性，导致三维模型计算量很大，非常耗时，不能很好地降低实验的时间和成本。因此，为发挥数值模拟的优势，从焊接角变形的本质出发，提出了一种二维的焊接反变形量快速计算方法。
[0005]针对现有技术中没有一个很好的预测焊接反变形量的方法的问题，需要提供一种可以节约时间和成本、能够快速对焊接反变形量进行预测的方法。
发明内容
[0006]为解决上述问题，本发明提供一种焊接反变形量的计算方法，基于焊缝横向收缩在板厚方向的不均匀分布为焊接角变形的本质，利用二维热弹塑性有限元法建模，可以快速、准确的获得焊接角变形的反变形量。
[0007]为实现上述目的，本发明的一种焊接反变形量的计算方法，包括以下步骤：[0008]S1、根据预设反变形量和焊接工况，建立待焊工件的温度场与变形场的二维几何模型；
[0009]S2、根据焊接热源的加载方式、焊接热源的加载时间和待焊工件的物理性能，建立热传导方程，确定二维几何模型加载焊接热源时的温度场；
[0010]S3、对二维几何模型设置位移约束条件，根据温度场、位移约束条件和待焊工件的力学性能，通过热弹塑性控制方程确定二维几何模型加载预设反变形量后的焊接角变形
量；
[0011]S4、设置待焊工件加载预设反变形量后的变形量目标值，根据预设反变形量、焊接角变形量和变形量目标值，确定待焊工件的焊接反变形量。
[0012]进一步地，还包括，对二维几何模型划分网格，将各个网格作为节点计算待焊工件的焊接反变形量。
[0013]进一步地，网格为非均匀网格，非均匀网格的密度由待焊工件的焊缝向周围减小。[0014]进一步地，焊接热源的加载方式包括：设置焊接热源为固定温度热源，将固定温度热源依次加载于待焊工件的焊缝上。
[0015]进一步地，焊接热源的加载时间根据待焊工件的焊缝宽度和对其进行焊接的速度确定。
[0016]进一步地，还包括，根据焊接热源加载在待焊工件的各焊缝的时间，采用瞬态计算方法求解热传导方程。
[0017]进一步地，位移约束条件约束二维几何模型的焊缝的x、y两个方向的位移自由度。[0018]进一步地，焊接角变形量的绝对值小于变形量目标值时，确定预设反变形量为待焊工件的焊接反变形量。
[0019]进一步地，焊接角变形量的绝对值大于或者等于变形量目标值时，将预设反变形量和焊接角变形量的差值作为新的预设反变形量，并重新完成步骤S1-S5。
[0020]本发明的焊接反变形量的计算方法，在计算机辅助设计软件中根据预制反变形量和焊接工况建立待焊工件的温度场与变形场的二维几何模型，基于二维几何模型、待焊工件的物理性能、力学性能、焊接热源等建立热传导方程、热弹塑性控制方程，基于非线性有限元分析软件求解上述固态热传导方程和热弹塑性方程以求得焊接过程中的温度场和焊接角变形量，最后根据预设反变形量、焊接角变形量和变
形量目标值确定待焊工件的焊接反变形量。由于本发明基于焊接角变形的本质，结合热源及物理参数，并利用二维热弹塑性有限元法建模，相较于传统的利用三维模型进行分析的方式，可以降低系统的计算量，在高效、低成本地得到待焊工件的焊接反变形量的同时，保证计算结果的准确性。
附图说明
[0021]图1为本发明的焊接反变形量的计算方法的流程图。
具体实施方式
[0022]下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。
[0023]如图1所示，本发明的一种焊接反变形量的计算方法，包括以下步骤：
[0024]S1、设置待焊工件的焊接角变形的预设反变形量，在计算机辅助设计软件中根据预设反变形量和焊接工况，建立待焊工件的温度场与变形场的二维几何模型。其中，焊接工况可以包括待焊工件的坡口类型、宽度、厚度以及多层多道焊的特征参数，多层多道焊的特征参数可以包括焊接道次。通过对上述特征参数的考虑，能够充分保证几何建模与实际焊接工况相同。其中，建立二维有限元模型以考虑反变形量为主要特征，具体地，将两板边部的水平连线到焊缝中心的垂直距离定义为反变形量。
[0025]由于焊接角变形的产生的根本原因是由焊缝横向收缩在板厚方向的不均匀分布
造成的，因此，建立二维有限元模型不但可以满足焊接角变形的建模需求，相对于传统的三维有限元模型法，还能提高计算效率，节约成本。
[0026]本发明实施例中，计算机辅助设计软件可以为ABAQUS有限元软件。
[0027]本发明另一实施例中，还可以对二维几何模型划分网格，并将各个网格作为节点计算待焊工件的焊接反变形量。其中，网格为非均匀网格，非均匀网格的密度由待焊工件的焊缝向周围减小，以保证足够的计算精度。具体地，焊缝及焊缝附近采用细网格，网格的最小尺寸可以为0.2mm，远离焊缝采用过渡网格，并且网格的尺寸逐渐增大。
[0028]S2、设置焊接热源的加载方式及加载时间，针对S1建立的二维几何模型，根据焊接热源的加载方式、焊接热源的加载时间和待焊工件的物理性能，建立热传导方程，确定二维几何模型加载焊接热源时的温度场。
[0029]具体的，可以建立考虑焊接热源的固态热传导方程：
[0030]
[0031]其中，ρ是密度，C是比热，T是温度，t是时间，k是热导率，x、y为坐标值，Q是焊接热源。
[0032]在本发明实施例中，焊接热源的加载方式包括：设置焊接热源为固定温度热源，将固定温度热源依次加载于待焊工件的焊缝上，热源的温度可以设置为待焊工件的熔点。[0033]在本发明实施例中，焊接热源的加载时间可以由实际焊接工艺决定，具体地，焊接热源的加载时间根据待焊工件的焊缝宽度和对其进行焊接的速度确定。根据本发明的一个
实施例，可以设置焊缝宽度为d，速度为v，焊接热源的加载时间其中，N为整数，可以
根据需要设置该值。
[0034]在本发明另一实施例中，由于温度载荷加载在每道焊缝的时间间隔与每道焊缝实际的焊接时间相同，还可以根据焊接热源加载在待焊工件的各焊缝的时间，采用瞬态计算方法求解热传导方程并确定二维几何模型加载焊接热源时的温度场。
[0035]本发明实施例中，待焊工件的物理性能包括比热、热导率、密度、散热系数。具体地，熔池流动传热通过修改热导率实现，通过增大熔池内热导率为低温热导率的2-3倍，体现熔池流动对传热的影响；
潜热释放通过将固液区间的比热加上熔化潜热来体现潜热释放对温度的影响；相变对变形的影响通过修改相变区热膨胀系数实现；其它参数通过Gleeble 热模拟机高温拉伸试验测量。
[0036]S3、对二维几何模型设置位移约束条件，根据温度场、位移约束条件和待焊工件的力学性能，通过热弹塑性控制方程确定二维几何模型加载预设反变形量后的焊接角变形量。
[0037]在本发明实施例中，由于二维几何模型在模拟焊接时为自由状态，因此需要设置约束条件，以保证工件不发生刚体位移，位移约束条件约束二维几何模型的焊缝的x、y两个方向的位移自由度，其中，x、y方向分别为二维几何模型在二维坐标系中的横、纵坐标方向。[0038]在本发明实施例中，热弹塑性控制方程为：
[0039]
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