一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法与流程

本发明涉及齿轮检修技术领域，尤其涉及一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法。

背景技术：

在实际工业生产中，齿轮失效将直接影响企业的正常生产，直接更换齿轮的时间成本和价格成本会过高，因此选择激光熔覆对断齿齿轮进行尺寸修复是一种较好的选择。而在激光熔覆过程中，由于极高的温度梯度，残余应力的出现是不可避免的，当残余应力超过材料的强度极限时,就会产生裂纹，因此，要通过优化工艺参数减小熔覆层开裂倾向，提高修复齿轮质量。进行实际工艺试验调节修复齿轮质量最佳工艺参数比较复杂，成本过高且浪费了很多时间和人力，还会对材料造成一定的浪费。如cn109551167a现有技术公开了一种种齿再造齿轮修复方法，齿轮是常用的比较精密的传动机械零件，特别是在煤机装备上应用很多。煤机装备中的某些常用而且价值较高的齿轮，如惰轮和行星轮，在断齿的情况下如果能进行及时良好的修复再制造，就会在最大程度上节省成本，并且有效的缩短生产周期使快速投入生产。但如果修复再造不成功，只能使用很短的时间，或修复后的齿轮与原有齿轮相比，使用性能相差很多，不但不能节省成本，还会造成新的浪费。另一种典型的如au2015386663(a1)的现有技术公开的一种修复环形齿轮的齿的方法，比如化学工业、矿业或制糖业所用的装备有大型环形齿轮的大型旋转机械，所述大型环形齿轮驱动旋转机械，通过小齿轮以及电机组件使其旋转。这种类型的旋转机械包括旋转炉、球磨机、卧式球磨机以及糖扩散系统等。这诱发异常的机械力施加在环形齿轮的附件上、电机组件上以及机械本身及其支座上，由此会导致各个机械系统损坏，并进一步加剧齿的磨损现象。当磨损水平变得较高时，就必须修复或更换带齿的环形齿轮。对于大型机械而言，更换操作耗时较长，而且成本较高。再来看如ru2684034(c1)的现有技术公开的一种修复齿轮的齿的方法，通常可以进行修复来恢复接触表面的高质量形状，这与良好的机械操作相符；在环形齿轮必须翻转或更换之前，至少可以进行一次所述恢复。目前，由操作人员利用加工或打磨工具手动完成齿面修复操作。在申请人的经验看来，最终结果在很大程度上取决于操作人员的专门技术和经验，无法形成一个高效的修复方法，对生产生活中存在极大的不便。

为了解决本领域普遍存在齿轮修复存在应力过大、焊接存在裂纹、焊接方式单一等等问题，作出了本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对目前齿轮检修技术所存在的不足，提出了一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法。

为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：

一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法，包括步骤：

s1：确定齿轮材料和焊缝金属粉末热分析和应力分析参数；

s2：确定齿轮的尺寸参数，在cad中创建齿轮二维平面图，保存为igs文件导入ansys中；

s3:定义热分析单元和结构分析单元，然后进行网格划分；

s4:取热源模型，选择热源计算公式，然后定义焊接工艺参数，包括焊接电流、电压、速度、时间；

s5：在步骤s4的基础之上，利用生死单元施加热源载荷，所述生死单元用来解决单元的非线性问题；

s6：利用ansys模拟出不同焊接工艺参数下的温度场、应力场及变形情况，找出残余应力及变形最小焊接工艺参数。

可选的，在所述步骤s6中，对所述工艺参数设有的最小焊接工艺参数设为最优工艺参数，当每次确定所述齿轮的尺寸信息后根据所述分析单元并进行网格划分得出当前齿轮的所述最优工艺参数。

可选的，在步骤s2的分析参数中，所述分析参数包括：温度区间、密度、热传导系数、比热容、空气的总换热系数、弹性模量、屈服强度和切变模量、线膨胀系数、泊松比。

可选的，所述施加热源载荷的过程中生成相应的预测温度曲线，所述预测温度曲线为焊接的过程中提供参考。

可选的，在所述步骤s6中，所述应力场的检测过程中采用光学应变片进行检测，所述光学应变片分别设置在所述铸件的背面、起焊点和焊缝中部用于检测焊接过程的残余应力。

可选的，根据所述划分网格的走向确定焊接的移动方向。

可选的，在所述步骤s2中，对所述齿轮的形状进行预估并生成相应的齿轮形状，并对该形状进行拉力测试得出测试值，依据所述测试值预估出焊接齿轮工件。

可选的，所述热源模型包括：双椭球体热源模型、gauss面热源模型、gauss圆柱热源模型和分布的柱状热源模型。

本发明所取得的有益效果是：

1.通过热源模型来确定焊接工艺参数，包括焊接电流、电压、速度、时间等常见焊接的技术问题，保证所述齿轮的焊接的质量；

2.通过ansys有限元分析软件设置不同的工艺参数进行不同的模拟实验，使得修复的过程更加的高效、便捷，提高修复的成功率；

3.利用工艺优化方法可以直接得到修复齿轮后的温度场及应力场和变形，变形最小和残余应力最低的就是最佳工艺参数，最大程度上节省了人力物力，降低了成本。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法的流程图。

图2为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法的修复齿轮的平面图。

图3为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法在导入ansys中的齿轮平面图。

图4为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法对齿轮有限元模型的网格划分结果。

图5为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法第10s的温度场分布。

图6为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法第10s的y方向应力场分布。

图7为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法焊接结束时的温度场分布。

图8为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法在冷却1200s时的温度场分布。

图9为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法在冷却1200s时y方向的应力场分布。

图10为本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法在冷却1200s时y方向位移分布云图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的.技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统.方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统.方法.特征和优点都包括在本说明书内.包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”.“下”.“左”.“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位.以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一：一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法，包括步骤：s1：确定齿轮材料和焊缝金属粉末热分析和应力分析参数；s2：确定齿轮的尺寸参数，在cad中创建齿轮二维平面图，保存为igs文件导入ansys中；s3:定义热分析单元和结构分析单元，然后进行网格划分；s4:取热源模型，选择热源计算公式，然后定义焊接工艺参数，包括焊接电流、电压、速度、时间；s5：在步骤s4的基础之上，利用生死单元施加热源载荷，所述生死单元用来解决单元的非线性问题；s6：利用ansys模拟出不同焊接工艺参数下的温度场、应力场及变形情况，找出残余应力及变形最小焊接工艺参数。在所述步骤s6中，对所述工艺参数设有的最小焊接工艺参数设为最优工艺参数，当每次确定所述齿轮的尺寸信息后根据所述分析单元并进行网格划分得出当前齿轮的所述最优工艺参数。在步骤s2的分析参数中，所述分析参数包括：温度区间(℃)、密度(mg/mm³)、热传导系数(mw/(mm*c))、比热容(mj/mg/c)、空气的总换热系数(mw/mm³*k)、弹性模量、屈服强度和切变模量、线膨胀系数、泊松比。所述施加热源载荷的过程中生成相应的预测温度曲线，所述预测温度曲线为焊接的过程中提供参考。在所述步骤s6中，所述应力场的检测过程中采用光学应变片进行检测，所述光学应变片分别设置在所述铸件的背面、起焊点和焊缝中部用于检测焊接过程的残余应力。根据所述划分网格的走向确定焊接的移动方向。在所述步骤s2中，对所述齿轮的形状进行预估并生成相应的齿轮形状，并对该形状进行拉力测试得出测试值，依据所述测试值预估出焊接齿轮工件。所述热源模型包括：双椭球体热源模型、gauss面热源模型、gauss圆柱热源模型和分布的柱状热源模型。

实施例二：一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法，包括步骤：

s1：确定齿轮材料和焊缝金属粉末热分析和应力分析参数；

s2：确定齿轮的尺寸参数，在cad中创建齿轮二维平面图，保存为igs文件导入ansys中；

s3:定义热分析单元solid70和结构分析单元plane55，然后进行网格划分；

s4:取热源模型，选择热源计算公式，然后定义焊接工艺参数，包括焊接电流、电压、速度、时间；

s5：在步骤s4的基础之上，利用“生死单元”施加热源载荷；

s6：利用ansys模拟出不同焊接工艺参数下的温度场、应力场及变形情况，找出残余应力及变形最小焊接工艺参数。具体的，所修复齿轮的平面图如图2所示，区域为所需要修补的部分。待修复的齿轮轴齿轮部分所用的材料为34crnimo，修补后的齿面硬度必须得达到45hrc以上，常用的激光熔覆合金粉末有三种：钴基合金、铁基合金和镍基合金。根据相容性原则，应考虑使用镍基合金，但试验后，发现热裂纹较多，最终通过多次试验选择了颗粒度为200～320目的钴基合金粉末。在s2步骤中在cad中画出平面图，保存为igs文件然后导入到ansys中，如图3所示。此时导入进去的只有线段，必须使用布尔操作(命令流为lovlap，lglue)后将线再转化为面。在s3步骤中，热分析单元solid70和结构分析单元plane55(plane55为针对二维的单元类型)，然后进行网格划分，首先对修补的面进行网格划分，网格尺寸为3mm，然后对在对齿轮其他部分划分网格，网格尺寸为6mm，最后通过extopt命令将面网格拉伸为体网格，如图4所示。在s4步骤中，根据焊接方法确定热源模型，使得修复达到更好的效果。具体的，更好的模拟出熔覆层一层一层的叠加效果，本发明采用体生热率热源。所述体生热率热源计算公式：hgen＝k*u*i/a*v*dt；其中，i为焊接电流，u为焊接电压,k为焊接效率，a为焊缝横截面积，v为焊接速度，dt为为每个载荷步的时间。在s5步骤中，温度场边界条件为热辐射和热对流的总换热系数，然后通过生死单元施加热源载荷，所述生死单元用来解决单元的非线性问题。具体施加方法为：如图2修补部分所示有13个熔覆层，首先设置循环语句，将焊缝方向分为10段，选择第一段单元，然后施加体生热率热进行计算，计算时间为每个载荷步的时间，在计算下一个载荷步时，需要删掉上一段的体生热率，然后继续选择下一步单元，继续施加热源，删除热源……如此循环往复，完成熔覆过程温度场的计算。应力场分析也采用生死单元，然后根据齿轮的基体情况施约束条件，最后求解出这种工艺参数下的温度场和应力场云图分布，如图7,8,9所示。

在所述步骤s6中，对所述工艺参数设有的最小焊接工艺参数设为最优工艺参数，当每次确定所述齿轮的尺寸信息后根据所述分析单元并进行网格划分得出当前齿轮的所述最优工艺参数。具体的，在确定所述最优工艺参数的过程中，需要不断进行参数的改变，不断的改变焊接工艺参数，重复步骤s1-s5的步骤直至得出最佳的工艺参数。

在步骤s2的分析参数中，所述分析参数包括：温度区间(℃)、密度(mg/mm³)、热传导系数(mw/(mm*c))、比热容(mj/mg/c)、空气的总换热系数(mw/mm²*k)、弹性模量、屈服强度和切变模量、线膨胀系数、泊松比。具体的，在确定所述热传导系数(mw/(mm*c))属性时需要考虑熔池对流对热传导系数的影响，在确定空气的总换热系数(mw/mm²*k)的属性时需要考虑辐射对所述空气的总换热系数的影响。另外，在对所述线膨胀系数属性进行分析时需要考虑凝固收缩中的固液区对所述线膨胀系数的影响。

所述施加热源载荷的过程中生成相应的预测温度曲线，所述预测温度曲线为焊接的过程中提供参考。具体的，在实际焊接生产现场，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焊接点的附近用于检测温度的变化，优选地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，得到实际温度变化曲线。需要说明的是，实际温度变化曲线是对应于某一焊缝变化情况和实际焊接时间，然后与所述预测温度曲线进行对比的操作，在实际的焊接的过程中，要时刻警惕所述焊接工件的温度的变化，保证实时的温度值与预测的温度值达到统一的，从而保证所述齿轮的修复的强度。

在所述步骤s6中，所述应力场的检测过程中采用光学应变片进行检测，所述光学应变片分别设置在所述铸件的背面、起焊点和焊缝中部用于检测焊接过程的残余应力。具体的，在焊接的过程中，焊接引起的温度的变化对所述齿轮修复存在一些影响，因而在焊接的过程中，需要针对焊接时温度的变化以及冷却过程温度的变化引起的应力的改变，从而引发所述齿轮强度的改变。在焊接的过程中，需要通过采用光学应变片对焊接的位置进行实时的检测，保证所述焊接的所述齿轮产生的应力在合理的范围内。

根据所述划分网格的走向确定焊接的移动方向。具体的，确定所述焊接的网格后，焊接的方向就能沿着所述网格的走势进行焊接。在实际的焊接的过程中，焊接人员在焊接的过程中根据实际的需要进行焊接，使得焊接的过程能够顺利的进行。焊接后的所述齿轮要进行应力的测试，测试后符合工艺的要求才能达到最佳的修复水平。

在所述步骤s2中，对所述齿轮的形状进行预估并生成相应的齿轮形状，并对该形状进行拉力测试得出测试值，依据所述测试值预估出焊接齿轮工件。具体的，预估后的所述齿轮保证所述齿轮在修复后能够与未修复的齿轮达到统一的规格，保证齿轮的工艺生产的要求。另外，在焊接的过程中需要对预估的焊接件的形状进行应力的测试，保证所述焊接件与原有的齿轮牙的规格达到统一的标准。这样的预估使得所述齿条保证所述齿轮的工作的强度，使得保留了原装齿轮的运行时最大的运行咬合力。同时，也为所述齿轮的焊接或修复提供了有力的参考，指导操作者的焊接时的注意事项。

所述热源模型包括：双椭球体热源模型、gauss面热源模型、gauss圆柱热源模型和分布的柱状热源模型。具体的，根据所述热源模型的用于焊接数值模拟中的所有焊接热源模型大都不随时间而发生变化，也就是认为在焊接进行过程中热源模型是不发生变化的,即静态焊接热源模型。而动态焊接热源模型,其热输入是随着焊接的进行而发生变化的。例如,在短路过渡二氧化碳气体保护焊中,电弧有熄灭的过程。此熄灭阶段的热流密度分布显然不同于电弧燃烧阶段的热流密度分布特点，如果根据这种“短路”的实际工程特点而建立一个电弧和熔滴交替作用的热源模型则应该是一种动态焊接热源模型。类似的，本实施例采用的热源模型优选采用高斯圆形热源模型作用方式。同时，焊接热源模型也能采用以下三种模型参数即：形状参数、热流分布参数和热输入参数来完整描述。

综上所述，本发明的一种基于ansys的齿轮断齿激光熔覆焊接工艺优化方法，通过热源模型来确定焊接工艺参数，包括焊接电流、电压、速度、时间等常见焊接的技术问题，保证所述齿轮的焊接的质量；通过ansys有限元分析软件设置不同的工艺参数进行不同的模拟实验，使得修复的过程更加的高效、便捷，提高修复的成功率；利用工艺优化方法可以直接得到修复齿轮后的温度场及应力场和变形，变形最小和残余应力最低的就是最佳工艺参数，最大程度上节省了人力物力，降低了成本。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。