一种结构件焊接反变形设计方法

摘要

本发明公开了一种结构件焊接反变形设计方法，包括获取结构件的焊接变形量，包括变形量和焊接变形位置；建立结构件的CAE模型，CAE模型中设有垫块和夹具，垫块和夹具的位置根据变形量和焊接变形位置确定；基于焊接变形位置，确定出垫块的位置和数量范围；基于变形量，确定出反变形量的大小范围；确定出反变形保持时间范围；基于垫块的位置和数量范围、反变形量的大小范围和反变形保持时间范围，采用最优拉丁超立方设计方法，确定出若干组反变形方案；将反变形方案带入CAE模型进行焊接仿真，预测出各反变形方案对应的焊接变形量，筛选出最优反变形方案。本发明可有效确定焊接反变形量及反变形的位置，降低结构件焊接变形，解决反变形工艺不稳定，效果差的难题。

权利要求

1.一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于，包括：

获取结构件的焊接变形量，包括变形量和焊接变形位置；

建立结构件的CAE模型，所述CAE模型中设有垫块和夹具，所述垫块和夹具的位置根据所述变形量和焊接变形位置确定；

基于所述焊接变形位置，确定出垫块的位置和数量范围；

基于所述变形量，确定出反变形量的大小范围；

确定出反变形保持时间范围；

基于所述垫块的位置和数量范围、反变形量的大小范围和反变形保持时间范围，采用最优拉丁超立方设计方法，确定出若干组反变形方案；

将若干组反变形方案带入所述CAE模型进行焊接仿真，预测出各反变形方案对应的焊接变形量，从而筛选出达到焊接变形控制要求的最优反变形方案。

2.根据权利要求1所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于，所述垫块和夹具的位置通过以下方法确定：在所述焊接变形位置一定直线距离处设置垫块，采用接触的形式模拟垫块支撑，在垫块对应位置建立刚性平面予以模拟垫块，垫块与工件二者之间采用touch接触设定；

所述焊接变形位置为与夹具相接触的位置，在CAE模型中选择相应位置的节点，采用节点强制位移的方式模拟夹具装夹的位置，并给予选中节点一个强制位移，强制位移的数值为反变形量，强制位移的方向与所述变形量的变形方向相反。

3.根据权利要求2所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于，所述夹具为C型夹具。

4.根据权利要求1所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：所述反变形量的大小范围通过以下步骤确定获得：基于所述变形量，继续施加反变形，从而确定出反变形量的大小范围。

5.根据权利要求4所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：定义变形量为A，施加的反变形量小于或等于2A。

6.根据权利要求1所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：所述反变形保持时间范围是基于实际散热工况确定得到的。

7.根据权利要求6所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：所述反变形保持时间范围通过以下方法获得：以不影响生产节拍、工件完全冷却至室温和结构件内应力达到平衡与否为原则，通过实际散热工况设定反变形保持时间。

8.根据权利要求1所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：所述垫块的位置和数量范围通过以下方法确定：根据所述焊接变形位置，结合具体工件结构形式设定垫块的位置及数量，根据变形严重超差的位置数量，设定相应数量垫块，并于距预设关键焊缝不同直线距离处放置垫块，即可设定垫块的位置范围。

9.根据权利要求1所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：若干组反变形方案通过以下方法获得：将垫块的位置和数量、反变形量的大小及反变形保持时间作为因子，每个因子设置不同水平，以结构件的最大焊接变形量为响应指标，使用预设的软件，选择最优拉丁超立方设计方法进行三因子不同水平的试验设计，给出设计矩阵，即一系列有多个水平的因子表示的仿真模拟计划，每个系列为一组反变形方案。

10.根据权利要求9所述的一种结构件焊接反变形设计方法，其特征在于：所述预设的软件为isight软件。

说明书

一种结构件焊接反变形设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种结构件焊接反变形设计方法。

背景技术

[0002] 大型关键结构件是工程机械整机的重要组成部分，结构件大多是由高强钢拼焊而成，焊接过程中温度场的不均匀性，在冷却过程中因相邻件约束，导致焊接结构件内部产生焊接应力而引起焊接变形。大型结构件焊接生产过程随机性比较大，重现性较低，这就导致焊接变形难以控制，往往需要焊后的机械/火焰矫形，耗费大量的人力物力，甚至存在报废的风险。结构件焊接变形的大小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控制焊接变形。

[0003] 目前，关于反变形预测与优化的公开报道和文献较少，仅凭借经验、计算公式推导、现场反复试验，研究预留反变形量与结构件焊接变形量间的关系，最后确定合理的预留反变形量。公开号为CN103577650A、发明名称为薄板大型油箱焊接反变形成型方法的中国发明专利申请中，提出一种薄板大型油箱焊接反变形成型方法。根据已知条件由公式计算得出焊后的变形量，对油箱的尺寸在焊接前的预设反变形量进行设计，得出油箱的实际生产尺寸。该方法是通过公式推导计算获得油箱的反变形量，需要凭借经验设定参数，存在误差，仍需现场试验调整确定反变形量。

[0004] 公开号为CN108804725A、发明名称为一种焊接反变形量的计算方法的中国发明专利申请中，提出了一种焊接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，基于非线性有限元分析软件求解焊接过程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。该方法是针对简单对接接头，考虑预制反变形对接接头建模模拟焊接过程，通过比较焊后角变形量绝对值与变形目标值，使用二者差值继续作为新的预制反变形量，反复模拟，直至最后确定最终合适的焊接反变形量。该方法仅针对简单对接接头，不适合大型结构件复杂结构形式下的反变形计算。

[0005] 公开号为CN111507028A、发明名称为一种机壳的焊接反变形量的计算方法及装置的中国发明专利申请中，公开了一种机壳的焊接反变形量的计算方法及装置、存储介质、计算机设备。通过对三维板壳实体模型设置位移约束条件实现反变形量的设置，通过流道直径变形比率×所述流道直径计算反变形量，仅局限于特定结构，无实际参考价值。

[0006] 公开号为UN20130006542A1、名称为Method for controlling distortion of a material during a weld process的美国专利申请中，公开了一种材料焊接过程中焊接变形控制的方法。该方法包括材料焊接过程建模，根据实际焊接变形位置及变形量，通过在模型中相应位置进行设置预变形量以抵消焊接产生的变形，最后材料现场焊接试制。

[0007] 《构架侧梁焊接反变形量的优化分析》中国文献中，公开了以仿真模型为基础，结合所制定的反变形方案，采用多层优化计算，对侧梁焊接时的反变形量进行数值仿真优化，优化方案可为焊接变形的控制、焊接工艺设计的选择和预留变形量的确定等提供可靠依据。但是存在数据处理量比较大，比较耗时等问题。

发明内容

[0008] 针对上述问题，本发明提出一种结构件焊接反变形设计方法，可以有效的确定焊接反变形量及反变形的位置，有效降低结构件焊接变形，解决反变形工艺不稳定，效果差的难题；同时可以减少机械矫形工作量，提高工作效率，降低生产成本。

[0009] 为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

[0010] 一种结构件焊接反变形设计方法，包括：

[0011] 获取结构件的焊接变形量，包括变形量和焊接变形位置；

[0012] 建立结构件的CAE模型，所述CAE模型中设有垫块和夹具，所述垫块和夹具的位置根据所述变形量和焊接变形位置确定；

[0013] 基于所述焊接变形位置，确定出垫块的位置和数量范围；

[0014] 基于所述变形量，确定出反变形量的大小范围；

[0015] 确定出反变形保持时间范围；

[0016] 基于所述垫块的位置和数量范围、反变形量的大小范围和反变形保持时间范围，采用最优拉丁超立方设计方法，确定出若干组反变形方案；

[0017] 将若干组反变形方案带入所述CAE模型进行焊接仿真，预测出各反变形方案对应的焊接变形量，从而筛选出达到焊接变形控制要求的最优反变形方案；

[0018] 按照筛选出的最优反变形方案进行现场样件试制，并进行焊后变形测量，验证变形控制效果。

[0019] 可选地，所述垫块和夹具的位置通过以下方法确定：

[0020] 在所述焊接变形位置一定直线距离处设置垫块，采用接触的形式模拟垫块支撑，在垫块对应位置建立刚性平面予以模拟垫块，垫块与工件二者之间采用touch接触设定；

[0021] 所述焊接变形位置为与夹具相接触的位置，在CAE模型中选择相应位置的节点，采用节点强制位移的方式模拟夹具装夹的位置，并给予选中节点一个强制位移，强制位移的数值为反变形量，强制位移的方向与所述变形量的变形方向相反。

[0022] 可选地，所述夹具为C型夹具。

[0023] 可选地，所述反变形量的大小范围通过以下步骤确定获得：

[0024] 基于所述变形量，继续施加反变形，从而确定出反变形量的大小范围。

[0025] 可选地，定义变形量为A，施加的反变形量小于或等于2A。

[0026] 可选地，所述反变形保持时间范围是基于实际散热工况确定得到的。

[0027] 可选地，所述反变形保持时间范围通过以下方法获得：

[0028] 以不影响生产节拍、工件完全冷却至室温和结构件内应力达到平衡与否为原则，通过实际散热工况设定反变形保持时间。

[0029] 可选地，所述垫块的位置和数量范围通过以下方法确定：

[0030] 根据所述焊接变形位置，结合具体工件结构形式设定垫块的位置及数量，根据变形严重超差的位置数量，设定相应数量垫块，并于距预设关键焊缝不同直线距离处放置垫块，即可设定垫块的位置范围。

[0031] 可选地，若干组反变形方案通过以下方法获得：

[0032] 将垫块的位置和数量、反变形量的大小及反变形保持时间作为因子，每个因子设置不同水平，以结构件的最大焊接变形量为响应指标，使用预设的软件，选择最优拉丁超立方设计方法进行三因子不同水平的试验设计，给出设计矩阵，即一系列有多个水平的因子表示的仿真模拟计划，每个系列为一组反变形方案。

[0033] 可选地，所述预设的软件为isight软件。

[0034] 与现有技术相比，本发明的有益效果：

[0035] 本发明可以有效的确定焊接反变形量及反变形的位置，有效降低结构件焊接变形，解决反变形工艺不稳定，效果差的难题；同时可以减少机械矫形工作量，提高工作效率，降低生产成本。

附图说明

[0036] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

[0037] 图1示出了本申请实施例的一种结构件焊接反变形设计方法的流程示意图；

[0038] 图2示出了本申请实施例的考虑反变形的结构件CAE模型；

[0039] 图3示出了本申请实施例的热源校核；

[0040] 图4示出了本发明一种实施例的T‑joint弹性预弯曲反变形示意图；

[0041] 图5示出了本申请实施例的结构件焊接反变形参数设置示意图。

具体实施方式

[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

[0043] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

[0044] 如图1所示，本发明中提供了一种结构件焊接反变形设计方法，包括以下步骤：

[0045] 步骤(1)获取结构件的焊接变形量，包括变形量和焊接变形位置；

[0046] 在本发明的一种具体实施方式中，所述焊接变形量通过以下方法获得：

[0047] 采用激光三维扫描仪分别扫描焊前、焊后的结构件，测量结构件焊接变形，获得结构件的变形量和焊接变形位置；

[0048] 步骤(2)建立结构件的CAE模型，所述CAE模型中设有垫块和夹具，所述垫块和夹具的位置根据所述变形量和焊接变形位置确定；

[0049] 在本发明的一种具体实施方式中，所述步骤(2)的主要目的是建立考虑现有反变形工艺的结构件CAE模型见图2，具体包括以下步骤：

[0050] 根据预设焊接工况，建立大型结构件CAE模型；

[0051] 首先，对CAE模型进行前处理，包括：几何模型简化、网格划分；其次，进行模型设定，包括：材料属性赋予、初始温度条件、热‑力学边界条件、焊接及冷却工况设定，其中，在进行力学边界条件设置时，将现有的反变形工艺考虑到CAE模型中，反变形工艺实施由垫块和工装夹具配合实现。在步骤(1)获得焊接变形位置一定直线距离处设置垫块，采用接触的形式模拟垫块支撑，在垫块对应位置建立刚性平面予以模拟垫块，垫块与工件二者之间采用touch接触设定。步骤(1)获得焊接变形位置量处即为与夹具相接触的位置，在CAE模型中选择相应位置的节点，采用节点强制位移的方式模拟C型夹具装夹的位置，并给予选中节点一个强制位移，数值为现有反变形工艺中设置的反变形量，方向为与步骤(1)测量的变形方向相反，实现预留反变形量的设置。按照现场焊接工艺调整热源参数，完成热源校核，如图3所示；并利用步骤(1)中获得焊接变形结果与建立的CAE模型仿真结果进行焊接变形趋势比对，验证有限元模型合理性。

[0052] 步骤(3)基于所述焊接变形位置，确定出垫块的位置和数量范围；

[0053] 步骤(4)基于所述变形量，确定出反变形量的大小范围；

[0054] 步骤(5)确定出反变形保持时间范围；

[0055] 在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述步骤(3)‑(5)具体包括以下步骤：

[0056] 大型结构件的焊接变形，可以采用机械法强制反变形抵消或降低变形量，利用弹性预弯曲方法，通过垫块和工装夹具配合产生强制位移，使得工件发生弹性预弯曲，具体参见图4，图4中的1表示焊缝，2表示垫块，3表示工件，箭头表示夹具装夹，但是，垫块位置设置合理与否，会影响反变形的效果，焊后即撤去工装夹具，由于板材弹性回复，部分弹性变形消失，仍然存在不同程度的焊接变形，影响反变形的效果，故确定合理的工装夹持时机即反变形保持时间很重要。由于材料非线性，预留反变形量与结构件焊接变形量并非线性相关，需要研究二者关系，最后确定合理的预留反变形量。最后确定的反变形工艺参数为：垫块的位置、反变形量的大小及反变形保持时间。根据步骤(1)测量的结构件焊后变形位置，结合工件结构形式设定垫块的位置及数量，根据变形超差的位置设定相应数量垫块，并于距关键焊缝不同直线距离处放置垫块，即可设定该参数水平；根据步骤(1)获取的现场变形量，在现有反变形基础上，继续施加上下浮动不超过2倍的现有变形量的反变形(即定义变形量为A，施加的反变形量小于或等于2A)，设定参数水平；结合生产实际，通过散热工况设定反变形保持时间，参数水平以不影响生产节拍、工件完全冷却至室温和结构件内应力达到平衡与否的原则设定。

[0057] 步骤(6)基于所述垫块的位置和数量范围、反变形量的大小范围和反变形保持时间范围，采用最优拉丁超立方设计方法，确定出若干组反变形方案；

[0058] 在本发明的一种具体实施方式中，若干组反变形方案通过以下方法获得：

[0059] 将垫块的位置和数量、反变形量的大小及反变形保持时间作为因子，每个因子设置不同水平，以结构件的最大焊接变形量为响应指标，使用预设的软件，选择最优拉丁超立方设计方法进行三因子不同水平的试验设计，给出设计矩阵，即一系列有多个水平的因子表示的仿真模拟计划，每个系列为一组反变形方案。在具体实施过程中，所述预设的软件为isight软件。

[0060] 步骤(7)将若干组反变形方案带入所述CAE模型进行焊接仿真，预测出各反变形方案对应的焊接变形量，从而筛选出达到焊接变形控制要求的最优反变形方案。

[0061] 步骤(8)基于步骤7中的最优反变形方案，进行现场样件试制，焊后工件放置规定的反变形量保持时间，拆除工装约束后利用步骤1手段进行焊后变形测量，验证变形控制效果。

[0062] 综上可见，本发明采用固定约束及接触约束的方法等效模拟焊接反变形，通过反变形方法设计，解决在实际生产中反变形位置及反变形量难以确定的难题，减小试验量，缩短工艺研发周期，实现大型结构件变形的有效控制。

[0063] 下面结合图2对一具体实施例对本发明中的设计方法进行详细说明。

[0064] S1，测量大型结构件焊后变形测量

[0065] 采用激光三维扫描仪分别扫描焊前、焊后的底板组件样件，获取测量数据点云，通过拟合软件处理建模，获得底板组件整体变形趋势，及关键位置的变形量。

[0066] S2，建立考虑现有反变形工艺的有限元模型。

[0067] 有限元分析前处理主要工作为几何简化与网格划分。在划分网格之前需要对几何模型进行简化，删去不重要的功能构件，简化不易划分网格的孔、倒角和倒圆角等工程特征。完成模型的简化后，对模型进行六面体网格，为了有效控制网格数量，对大型结构件有限元建模网格进行过渡处理，热影响区和焊缝位置均采用加密网格，焊趾2倍距离以外的位置，采用过渡网格，按板厚不同分析过渡的次数。大底板与其上的立板采用的角焊缝填充。按此处理方式，对转台组件进行三维实体建模以及网格划分，焊缝及热影响区区域的网格尺寸控制在2mm×2mm×5mm，立板与大底板，圈板与大底板间接触位置采用工节点处理。最后整个结构件实体模型总单元数量控制在20万以内，单元类型设置为Solid70/Solid185单元，满足焊接热力耦合分析的要求。材料选择高强钢Q550D进行参数设置。

[0068] 力学边界条件设置时，将现有的反变形工艺考虑到CAE模型中，采用接触的形式模拟垫块支撑，在垫块对应位置建立刚性平面予以模拟垫块，垫块与工件二者之间采用touch接触设定。选中与夹具相接触的位置，采用节点强制Y向位移的方式模拟C型夹具装夹的位置，并设置预留反变形量。按照现场焊接工艺调整双椭球热源参数完成热源校核，还涉及与空气热对流预热辐射边界条件的设置，通过采用“生死单元技术”模拟焊接过程。并利用S1中测量的大底板组件焊接变形趋势与仿真结果进行焊接变形趋势比对，验证有限元模型合理性。

[0069] S3，反变形参数的选择及实现。

[0070] 底板组件结构形式上可以看出，大底板一侧分布着不同尺寸的立板，采用的角焊缝连接，较大的热输入会引起不同程度的角变形，通过配合垫块和工装夹具强制位移形式来实现反变形。确定反变形工艺，其中主要的参数：垫块的位置、反变形量的大小及反变形保持时间。根据S1测量的结构件焊后变形位置，结合工件结构形式设定垫块的位置及数量，四个垫块分别命名为dk_1、dk_2、dk_3、dk_4，距离减重板内侧边缘d＝30、60、90mm，设置三个水平，距离可调；根据步骤1获取的现场大底板焊接变形量P1＝6、P2＝5、P3＝5、P4＝5、P5＝5、P6＝7mm，在现有反变形基础上，继续施加反变形，设置5、6、7、8、9、10mm六个水平。结合生产实际，通过散热工况设定反变形保持时间，设置t为0.5h、1h、1.5h，三个水平。垫块、反变形位置及变形量示意图如图5所示。

[0071] S4，反变形方案DOE设计。

[0072] 针对反变形方案进行DOE设计。根据S3中确定的三个工艺参数，进行三因素不同水平的试验设计，选择设计空间填充型号、能以较少的试验次数(水平数)研究更多水平组合的最优拉丁超立方设计方法，进行反变形方案DOE设计，制定出60种方案如表1所示。

[0073] 表1

[0074]

[0075] ①垫块：dk_1、dk_2、dk_3、dk_4，单位/mm；②反变形保持时间：t，单位/h；③C型夹具装夹或反变形的位置：P1、P2、P3、P4、P5、P6，单位/mm。

[0076] S5，反变形预测。

[0077] 利用S2确定的有效有限元模型，对S4设计的方案进行实施，以大底板的变形量为指标，利用大型通用CAE软件进行底板组件焊接变形仿真预测。对比焊接变形量计算值与变形量目标值最大值3mm进行比较，确定达到焊接变形控制要求的最优反变形工艺方案如表2所示。

[0078] 表2

[0079]

[0080] S6，优化效果试验验证。

[0081] 基于S5中获得的最优反变形工艺方案，进行现场样件试制，焊后工件放置规定的反变形量保持时间，拆除工装约束后利用S1手段进行焊后变形测量，大底板变形量从5‑7mm降低到小于2.5mm，达到目标值，效果明显。

[0082] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。