基于强度理论的焊接设计方法
【专利摘要】本发明提供一种基于强度理论的焊接设计方法，属于焊接【技术领域】。该焊接设计方法包括（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，以及（4）改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力σmax，直至该焊缝的最小安全系数N落入该焊缝对应的安全系数范围。该焊接设计方法能针对性地降低某些焊缝的应力水平、提高其安全系数，使焊接调试过程简单，有效地整体提高焊缝的承载性能。
【专利说明】基于强度理论的焊接设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接【技术领域】，涉及基于强度理论的焊接设计方法。
【背景技术】
[0002] 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。焊接形成 的工件在工作时，焊接残余应力和工作载荷形成合成应力，其直接影响工件的承载能力和 疲劳性能。
[0003] 为满足焊接工件的产品质量要求，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，引入计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE)进行仿真分析，以简化设计调试过程。
[0004] 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，没有考虑由于焊接过程中产生的残余应力。另外，目前的CAE分析方法只 能对焊缝长度进行研究设计，无法分析焊接截面尺寸、焊接顺序等因素对工件的承载能力 和疲劳特性。因此，目前的焊接设计方法分析不科学、不准确，容易导致其设计的焊接方法 难以满足焊接工件的强度要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一在于，提出一种可优化焊接方法的焊接设计方法。
[0006] 本发明的又一目的在于，有效降低焊缝的应力水平。
[0007] 本发明的再一目的在于，简化焊接方法设计调试过程。
[0008] 为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种基于强度理论的焊接设计方法， 其中包括： (1) 实际测量步骤： (la) 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； (lb) 在所述焊接工件中确定焊缝作为焊接模拟件； (lc) 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： (2a)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（lc)中测量的相 应残余应力基本相符合； (2b)基于该CAE模型获取所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ bw); (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)根据焊接工件的各部件的材料特性并基于所述焊接模拟件的微观断裂强度 (〇 bw)，得到各焊缝的微观断裂强度（〇 bw); (3c)基于所述焊接工件的CAE模型模拟施加工作载荷，至少将所述工作载荷和残余应 力合成以获取每个焊缝所承受的最大应力（σ _); (3d)每个焊缝的微观断裂强度（〇 bw)除以最大应力（〇 max)得到该焊缝的最小安全系 数(N); (3e)判断每个焊缝的最小安全系数（N)是否落入该焊缝对应的安全系数范围，如果判 断为否，则不对所述既定焊接方法进行改进，如果判断为是，则进入步骤（4); (4) 改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力（〇 _)，直至该焊缝的最小安 全系数（Ν)落入该焊缝对应的安全系数范围。
[0009] 按照本发明一实施例的焊接设计方法，在所述步骤（lc)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；在所述步骤（2b)中，基于该CAE模 型进行模拟拉力试验，其中，设定拉力为所述焊缝开裂载荷时，模拟获取的焊接模拟件的应 力即为所述焊接模拟件的微观断裂强度（〇 bw)。
[0010] 按照本发明又一实施例的焊接设计方法，在所述步骤（3b)中，应用插值法得到各 焊缝的微观断裂强度（〇 bw)。
[0011] 按照本发明还一实施例的焊接设计方法，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。
[0012] 按照本发明再一实施例的焊接设计方法，其中，所述CAE模型为有限元分析（FEA) 模型。
[0013] 在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述焊接工件可以为汽车上的扭杆梁 后桥。
[0014] 在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述焊接模拟件为扭杆梁后桥的衬套 管与悬架臂之间的焊缝。
[0015] 在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，所述既定焊接方法采用二氧化碳气体 保护焊。
[0016] 在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，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。
[0017] 在之前所述任一实施例的焊接设计方法中，在所述步骤（4)中，改进既定焊接方法 包括改变焊接顺序、改变焊接方向、增加或删除焊缝段、和/或改变焊缝截面尺寸。
[0018] 本发明的技术效果是，CAE模型能准确地反映焊接的残余应力，准确反映焊缝的应 力水平，有利于针对性地降低某些焊缝的应力水平、提高其安全系数；并且焊接调试过程简 单，有效地整体提高焊缝的承载性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 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全 清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
[0020] 图1是按照本发明一实施例的基于强度理论的焊接设计方法流程示意图。
[0021] 图2是扭杆梁后桥的一视角立体状态示意图。
[0022] 图3是扭杆梁后桥的又一视角立体状态示意图。
[0023] 图4是测量的实际温度变化曲线示意图。
[0024] 图5是在本实施例中选择的焊接模拟件的结构示意图。
[0025] 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。
[0026] 图7是主应力与σ χ、σ y的关系不意图。
[0027] 图8是焊接模拟件的CAE模型示意图。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 图11是扭杆梁后桥的焊缝安全系数不满足要求的5条焊缝的位置示意图，其中图 11 (a)为从一视角的局部不意图，图11 (b)为从又一视角的局部不意图。
【具体实施方式】
[0031] 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。
[0032] 图1所示为按照本发明一实施例的基于强度理论的焊接设计方法流程示意图。在 本发明中，强度理论中的"强度"是与"疲劳"相区别的，其可以理解为静态强度。对于该实 施例的焊接设计方法，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。
[0033] 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。其焊接设计方法主要用来衡量各焊接工位或各焊缝之间焊接顺序、各焊缝之 间的焊接方向、焊缝设置、焊缝截面尺寸等所对应产生的残余应力对扭杆梁后桥的强度影 响，以改进其焊接方法。以下结合图1至图11详细示例说明焊接设计方法过程。
[0034] 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。
[0035] 在该实施例中，具体地，既定焊接方法中可以采用C02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 M0T0WELD-EH500电源，焊丝具体为JM56,保护气体具体为：80%氩气和20% C02。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。
[0036] 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缝所对应的实际温度变化曲线均需要测量。
[0037] 进一步，步骤S120,确定一焊缝作为焊接模拟件。
[0038] 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。
[0039] 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、S220。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。
[0040] 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。
[0041] 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）。
[0042]
【权利要求】
1. 一种基于强度理论的焊接设计方法，其特征在于，包括： (1) 实际测量步骤： (la) 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； (lb) 在所述焊接工件中确定焊缝作为焊接模拟件； (lc) 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： (2a)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（lc)中测量的相 应残余应力基本相符合； (2b)基于该CAE模型获取所述焊接模拟件的微观断裂强度； (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)根据焊接工件的各部件的材料特性并基于所述焊接模拟件的微观断裂强度，得到 各焊缝的微观断裂强度； (3c)基于所述焊接工件的CAE模型模拟施加工作载荷，至少将所述工作载荷和残余应 力合成以获取每个焊缝所承受的最大应力； (3d)每个焊缝的微观断裂强度除以最大应力得到该焊缝的最小安全系数； (3e)判断每个焊缝的最小安全系数是否落入该焊缝对应的安全系数范围，如果判断为 否，则不对所述既定焊接方法进行改进，如果判断为是，则进入步骤（4); (4) 改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力，直至该焊缝的最小安全系数 落入该焊缝对应的安全系数范围。
2. 如权利要求1所述的焊接设计方法，其特征在于， 在所述步骤（lc)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； 在所述步骤（2b)中，基于该CAE模型进行模拟拉力试验，其中，设定拉力为所述焊缝开 裂载荷时，模拟获取的焊接模拟件的应力即为所述焊接模拟件的微观断裂强度。
3. 如权利要求1或2所述的焊接设计方法，其特征在于，在所述步骤（3b)中，应用插值 法得到各焊缝的微观断裂强度。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的焊接设计方法，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。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，所述CAE模型为有限 元分析模型。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，所述焊接工件为汽车 上的扭杆梁后桥。
7. 如权利要求6所述的焊接设计方法，其特征在于，所述焊接模拟件为扭杆梁后桥的 衬套管与悬架臂之间的焊缝。
8. 如权利要求6所述的焊接设计方法，其特征在于，所述既定焊接方法采用二氧化碳 气体保护焊。
9. 如权利要求1至6中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，所述步骤（lc)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。
10. 如权利要求1至6中任一项所述的焊接设计方法，其特征在于，在所述步骤（4)中， 改进既定焊接方法包括改变焊接顺序、改变焊接方向、增加或删除焊缝段、和/或改变焊缝 截面尺寸。
【文档编号】B23K31/12GK104057210SQ201310090169
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】刘拥军, 赵永昌, 陈璟, 朱挺 申请人:上海通用汽车有限公司, 泛亚汽车技术中心有限公司