一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备与流程

本发明涉及金属焊接领域,具体为一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备。

背景技术：

焊接残余应力是指在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。焊接残余应力的产生使焊接结构的强度及使用寿命造成很大的影响。在焊接结构的使用过程因焊接残余应力的存在使焊接结构突然的破坏严重影响了结构及设备的使用安全。因此，对于焊接工程中产生的焊接残余应力的预测，对于焊接结构及设备的安全性及可靠性有着非常重要的意义。在焊接时，由于材料的受热不均匀，焊接构件厚度不相等，及焊接结构的相互约束，使焊缝在焊接结束后无法避免的产生焊接残余应力。

在焊接过程中不可能对焊接结构使用小孔法破坏焊接进行对所产生的焊接残余应力进行测量，所以利用相同的焊接材料制成试件焊接进行测量并预测焊接结构所产生的焊接残余应力成为了重要的手段。而不同的焊接热输入功率、焊前预热温度、焊后冷却时间和保温温度对焊接结构所产生的焊接残余应力造成不同的影响，通过单因素的方法标定焊接残余应力并通过实验来模拟焊接结构的温度梯度。通过模拟的温度题度所产生的焊接残余应力来预测焊接结构的焊接残余应力。目前社会对于焊接时内应力预测和控制转置是一个空白，在研究是带来很大的不便利，因此焊接研究方面急需一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供将焊接残余应力的产生原因由多元化转化为一元化的方法及设备，用于控制焊接焊接前预热温度来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能。实现上述目的，本发明采取以下技术解决方案：

一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备，其特征是：改变同种金属焊接前预热温度及焊后的冷却速度，用应变片检测焊接时的应力走向对比焊接试件温度梯度对焊接应力的的影响关系，从而控制焊接试件温度梯度来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能，本发明由焊接预热模块、应力检测模块、温度控制模块及偏心夹紧模块组成；所述焊接预热模块包括硅碳棒、上固定板、下固定板、导杆及弹簧组成一个自动贴合试件的加热模块，方便应对不同试件，提高加热效率；所述应力检测模块是贴合在试件上的八片应变花来检测焊接中的材料应力变化，当内部应力使试件产生变形时，收集记录数据到应变仪上，方便后续的数据处理；所述温度控制模块是安装在试件内部的热电偶控制温度调节，使试件内外稳定在调节的温度；所述偏心夹紧模块包括压块、压杆、偏心螺杆及螺母，安装且固定试件，方便焊接。具体包括以下步骤：

（1）将试件加工至尺寸要求，测量面用砂纸打磨干净表面露出金属光泽；

（2）在试件测量焊接残余应力上画线确定应变花的粘贴位置；

（3）将试件置于机座上，调整试件对接间隙，拉动偏心螺杆，使压块将两焊接试件压紧在机座上，使焊接试件无法产生位移，将试件两头预焊接五毫米，使试件固定；松开试件偏心螺杆，解除压块对试件的约束；

（4）将八片应变花粘贴在两块试件划线所确定的粘贴位置上，每块试件都贴有四片应变花，且每片应变片与焊接试件的坡口边界距离相等；

（5）将应变仪调零位，开始焊接试件，将焊接过程中通过应变片得出的焊接应力-应变曲线及热电偶测出的温度曲线记录下来作为基础数据；

（6）分别在四处贴应变片位置距离五毫米处钻直径为的通孔，记录测出的残余应力数据作为焊接残余应力的基础数据；

（7）重复步骤（1）-（4），利用硅碳棒加热模块将焊接试件加热至100℃重复步骤（5）-（6），上述步骤重复试件的加热温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃；

（8）分别对比常温焊接时焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据与不同温度焊接试件下焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据。根据温度梯度预测该焊接材料的焊接结构的焊接残余应力。

(9)根据上述分析通过对温度梯度预测即可对相同材料焊接结构的焊接残余应力的预测。

所述的温度控制模块连接着焊接预热模块，由电偶直接控制硅碳棒的加热温度，使试件内外温度偏差不超过5℃，方便观察预热温度对焊接残余应力的直观影响；

所述的温度控制模块由硅碳棒、上固定板、下固定板、导杆、弹簧组成，硅碳棒安装在上固定板与下固定板上，下固定板在弹簧的作用下沿导杆的方向自动贴合试件，上固定板靠自身重量贴合在试件上，方便了试件加热，提高了预热效率。

本发明的主要特色在于：

1.机械结构紧凑，适用于研究不同材料的焊接内应力；

2.原理上将焊接残余应力的产生原因由多元化转化为一元化，方便了对焊接残余应力的预测及控制；

3.结构上方便了焊接预热，精准的控制了工作的内外温度；

4.通过测出的焊接应力与该试样的焊接温度梯度进行对比，预测出焊接温度梯度与应力分布及大小的关系。

附图说明

图1是本发明的三维结构图；

图2是本发明的试件标准形状；

图3是本发明的工作状态示意图。

图中，1.弹簧2.导杆3.下固定板4.机座5.压块6.硅碳棒7.上固定板8.偏心螺杆9.螺母10.试件11.热电偶12.应变花。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明的要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

参照附图1-3，本发明提供一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备，通过改变同种金属焊接前预热温度，用应变片检测焊接时的应力走向预热温度对焊接应力的的影响关系，从而控制焊接焊接前预热温度来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能。一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备，其特征是：改变同种金属焊接前预热温度及焊后的冷却速度，用应变片检测焊接时的应力走向对比焊接试件温度梯度对焊接应力的的影响关系，从而控制焊接试件温度梯度来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能。本发明由焊接预热模块、应力检测模块、温度控制模块及偏心夹紧模块组成；所述焊接预热模块包括硅碳棒6、上固定板7、下固定板3、导杆2及弹簧1组成一个自动贴合试件的加热模块，方便应对不同试件，提高加热效率；所述应力检测模块是贴合在试件上的八片应变花12来检测焊接中的材料应力变化，当内部应力使试件产生变形时，收集记录数据到应变仪上，方便后续的数据处理；所述温度控制模块是安装在试件内部的热电偶11控制温度调节，使试件内外稳定在调节的温度；所述偏心夹紧模块包括压块5、偏心螺杆8及螺母9，安装且固定试件10，方便焊接。具体包括以下步骤具体包括以下步骤：

（1）如图2所示，将试件10加工至尺寸要求，测量面用砂纸打磨干净表面露出金属光泽；

（2）在试件10测量焊接残余应力上画线确定应变花12的粘贴位置；

（3）结合图1，将试件10置于机座4上，调整试件10的对接间隙，拉动偏心螺杆8，使压块5将两试件10压紧在机座4上，使试件10无法产生位移，将试件10的两头预焊接五毫米，使焊接试件10固定。松开偏心螺杆8，解除压块5对焊接试件10的约束；

（4）如图3所示，将八片应变花12粘贴在两块试件10划线所确定的粘贴位置上，每块试件10都贴有四片应变花12，且每片应变片12与焊接试件10的坡口边界距离相等；

（5）将热电偶11插入试件固定孔位内，在温度控制端输入加热温度；

（6）将应变仪调零位，开始焊接试件10，将焊接过程中通过应变花12得出的焊接应力-应变曲线及热电偶11测出的温度曲线记录下来作为基础数据；

（7）分别在四处贴应变花12位置距离五毫米处钻直径为的通孔，记录测出的残余应力数据作为焊接残余应力的基础数据；

（8）重复步骤（1）-（4），利用硅碳棒6将焊接试件加热至100℃重复步骤（5）-（6），上述步骤重复试件的加热温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃；

（9）分别对比常温焊接时焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据与不同温度焊接试件10下焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据。根据温度梯度预测该焊接材料的焊接结构的焊接残余应力；

(10)根据上述分析通过对温度梯度预测即可对相同材料焊接结构的焊接残余应力的预测。

所述的温度控制模块由硅碳棒6、上固定板7、下固定板3、导杆2、弹簧1组成，硅碳棒6安装在上固定板7与下固定板上3，下固定板3在弹簧1的作用下沿导杆2的方向自动贴合试件10，上固定板7靠自身重量贴合在试件10上。