CN111375930A - 一种焊接变形的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及轨道车辆技术领域，具体地，涉及一种焊接变形的控制方法。该焊接变形的控制方法，包括：获取焊接接头的固有应变；在所述焊接接头的焊缝施加所述固有应变；对所述焊接接头的焊接进行仿真模拟，得到所述焊接接头的焊接变形；设置用于控制产生所述焊接变形的反变形。该控制方法能够快速、准确地计算焊接变形，提高了焊接变形的计算效率，并为实现焊接反变形提供理论依据，提高了焊接装配的准确性，解决现有车体装配过程中容易出现“无法装配”和设计变更的问题，进而提高产品质量和降低产品开发成本。

Description

一种焊接变形的控制方法

技术领域

本申请涉及轨道车辆技术领域，具体地，涉及一种焊接变形的控制方法。

背景技术

轨道车辆的车体在制造过程中，零件制造偏差、夹具定位偏差、焊接变形导致的偏差等偏差源都会影响车体的装配质量，但是，现有车体在制造过程中，并未考虑焊接变形对车体的影响，使车体的焊接装配准确性差，导致车体在装配过程中容易因焊接变形而出现“无法装配”的情况以及产品试生产阶段的设计变更的问题，进而影响产品质量和提高产品开发成本。

发明内容

本申请实施例中提供了一种焊接变形的控制方法，该控制方法将焊接接头的固有应变引入计算模型中，能够快速、准确地计算焊接变形，提高了焊接变形的计算效率，并为实现焊接反变形提供理论依据，提高了焊接装配的准确性，解决现有车体装配过程中容易出现“无法装配”和设计变更的问题，进而提高产品质量和降低产品开发成本。

本申请实施例提供了一种焊接变形的控制方法，包括：

获取焊接接头的固有应变；

在所述焊接接头的焊缝施加所述固有应变；

对所述焊接接头的焊接进行仿真模拟，得到所述焊接接头的焊接变形；

设置用于控制产生所述焊接变形的反变形。

优选地，通过以下公式计算获取焊接接头的固有应变，其中：

W_x＝KQ (1)；

W_y＝ζQ (2)；

上式中，W_x为沿焊接截面的纵向固有应变，W_y为沿焊接截面的横向固有应变，K为纵向固有应变系数；ζ为横向固有应变系数，Q为焊接线能量。

优选地，通过实验法对计算得到的所述固有应变进行修正。

优选地，所述纵向固有应变系数K为：

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度。

优选地，所述横向固有应变系数ζ为：

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度。

优选地，采用Abaqus软件对所述焊接接头的焊接进行仿真模拟。

优选地，在所述焊接接头的焊缝施加所述固有应变，具体包括：

将横向固有应变和纵向固有应变转化为各向异性的热膨胀系数；

将所述热膨胀系数赋予焊缝及焊缝附近区域的材料；

对所述焊缝及焊缝附近区域的材料施加单位温度载荷。

优选地，所述热膨胀系数采用下列公式计算获得：

上式中，α为热膨胀系数，W为焊缝截面的固有应变总和，F为固有应变施加区域的截面积，ΔT为单位温度载荷。

优选地，设置用于控制产生所述焊接变形的反变形，具体包括：

根据工艺公差要求设置关键特征点；

在与所述关键特征点相对应的焊接胎位施加反变形的公差波动。

采用本申请实施例中提供的焊接变形的控制方法，该控制方法将焊接接头的固有应变引入计算模型中，通过对焊接接头的焊接进行仿真模拟能够快速、准确地计算焊接变形，提高了焊接变形的计算效率，并为实现焊接反变形提供理论依据，有利于提高焊接装配的准确性和有效性，解决现有车体装配过程中容易出现“无法装配”和设计变更的问题，进而提高产品质量和降低产品开发成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种焊接变形的控制方法的流程图。

具体实施方式

在实现本申请的过程中，发明人发现，现有车体的制造过程中，并未考虑焊接变形对车体的影响，使车体的焊接装配准确性差，导致车体在装配过程中容易因焊接变形而出现“无法装配”的情况以及产品试生产阶段的设计变更的问题，进而影响产品质量和提高产品开发成本。

针对上述问题，本申请实施例中提供了一种焊接变形的控制方法，该控制方法能够快速、准确地计算焊接变形，提高了焊接变形的计算效率，并为实现焊接反变形提供理论依据，提高了焊接装配的准确性，解决现有车体装配过程中容易出现“无法装配”和设计变更的问题，进而提高产品质量和降低产品开发成本。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请实施例提供了一种焊接变形的控制方法，如图1所示，该控制方法包括：

步骤S10，获取焊接接头的固有应变；在获取焊接接头的固有应变时，可以通过计算获取，也可以通过实验获得，还可以根据经验获得；对于车体中结构简单的梁或平板的纵向和横向固有应变值可用解析法计算获得；固有应变与焊接线能量之间存在线性关系，通过推导纵向和横向的固有应变系数便可得到相应的固有应变值；

步骤S20，在焊接接头的焊缝施加固有应变；在焊接接头的焊缝施加固有应变的过程具体可以包括：将横向固有应变和纵向固有应变转化为各向异性的热膨胀系数，将热膨胀系数赋予焊缝及焊缝附近区域的材料，对焊缝及焊缝附近区域的材料施加单位温度载荷；

步骤S30，对焊接接头的焊接进行仿真模拟，得到焊接接头的焊接变形；在对焊接接头的焊接过程进行仿真模拟时，可以采用Abaqus软件进行；

步骤S40，设置用于控制产生所述焊接变形的反变形；在设置反变形的过程中，具体可以包括：根据工艺公差要求设置关键特征点，在与所述关键特征点相对应的焊接胎位施加反变形的公差波动。

上述焊接变形的控制方法在获取焊接接头的横向固有应变和纵向固有应变后，并在焊接接头的焊缝处施加固有应变后对焊接接头的焊接进行仿真模拟，通过模拟得到焊接接头在焊接过程中的焊接变形，根据模拟得出的焊接变形，对焊接接头上设置反变形，以抵消焊接过程中焊接接头产生的焊接变形，使焊接后的车体结构满足设计要求。上述控制方法将焊接接头的固有应变引入计算模型中，通过对焊接接头的焊接进行仿真模拟能够快速、准确地计算焊接变形，提高了焊接变形的计算效率，并为实现焊接反变形提供理论依据，有利于提高焊接装配的准确性和有效性，解决现有车体装配过程中容易出现“无法装配”和设计变更的问题，进而提高产品质量和降低产品开发成本。

在上述焊接变形的控制方法中，可以通过以下公式(1)和公式(2)计算获取焊接接头的固有应变，其中：

W_x＝KQ (1)；

W_y＝ζQ (2)；

上式中，W_x为沿焊接截面的纵向固有应变，W_y为沿焊接截面的横向固有应变，K为纵向固有应变系数；ζ为横向固有应变系数，Q为焊接线能量。

具体地，纵向固有应变系数K可以采用公式(3)获得，

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度。

同理，横向固有应变系数ζ可以采用公式(4)获得，

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度。

在获取焊接接头的固有应变步骤S10之后，为了能够更加准确地获得固有应变，在计算的基础上，还可以通过实验法对计算得到的固有应变进行修正。

在上述各种实施例中，热膨胀系数可以采用下列公式计算获得：

上式中，α为热膨胀系数，W为焊缝截面的固有应变总和，F为固有应变施加区域的截面积，ΔT为单位温度载荷。

下面简要介绍一下薄板焊接的横向应变系数的简化解析方法。对于薄板焊接，在板厚方向温度均匀的假设下，距焊缝轴线y处点的最大热应变ε_m(y)可由下式表述：

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度，h为薄板的板厚，Q为焊接线能量。

纵向固有应变总和W_x就等于纵向的单位体积，即：

将公式(6)带入公式(7)中，可得：

所以，薄板焊接的纵向固有应变系数为

类似地，可以得到极厚板的纵向固有应变系数

因此，利用简化解析法获知从极厚板到薄板的纵向固有应变系数K的范围为：

同样地，利用简化解析法可获得从极厚板到薄板的横向固有应变系数ζ的范围：

从上面公式(9)和公式(10)可以看出，纵向固有应变系数K的变化范围小，通常可以取平均值进行近似计算。而横向固有应变系数ζ的取值范围更大，不能通过取平均值进行计算，需要根据板件厚度和具体的焊接参数确定。

对于多道焊的情况，当焊道数为n时，焊接结构的纵向固有应变总和W_x可由下式确定：

W_x＝K_nW_xn (11)；

其中：

式中：W_xn表示线能量最大的焊道的纵向固有应变总和；K_n表示其余焊道的影响系数；ξ为加热系数。

横向固有应变总和W_y可表示为：

其中：

W_yi＝ζ_iQ_i (14)；

上式中，h为板厚；Δb_i、β_i分别为第i个焊道引起的横向收缩和转角；d_i表示第i个焊道塑性应变体积重心到焊缝工作截面距离的一半；ζ_i表示第i个焊道的横向固有应变系数；Q_i表示第i个焊道的线能量；e_i表示第i个焊道塑性区域的偏心距。

通过实验法测得大量横向收缩和角变形的数据，对上述经验公式得到横向和纵向固有应变系数进行修正。

工程中的复杂大型构件，焊接变形主要包括焊缝横向应变引起的横向收缩和角变形及纵向应变引起的纵向收缩。纵向和横向固有应变都集中分布在焊缝附近的狭窄区域内。纵向应变沿焊缝长度方向的中间区域均匀分布，横向应变沿垂直于焊缝方向分布的区域相较于纵向应变要更小，但其值远远大于纵向应变。固有应变ε^*等于总应变ε除去弹性应变ε_e，由塑性应变ε_p、热应变ε_t、相应变ε_x三部分组成，即：

ε^*＝ε-ε_e＝ε_p+ε_t+ε_x (16)；

一个完整的焊接过程在经历过一次热循环后，热应变为零。相应变对焊接变形的影响较小，通常予以忽略。因此，固有应变常用残余塑性应变表示。

当已知固有应变的大小和分布时，固有应变法可以快速的预测焊接构件的残余应力和焊接变形。由于残余应力的求解要求准确的知道固有应变的分布情况，通常情况下得到的计算精度不高。但是，对于焊接变形的求解只需知道固有应变的总和及位置便可保证足够的计算精度，而不必考虑固有应变的具体分布情况。本申请实施例中采用初应变法实现固有应变的施加，即：将焊缝的平均固有应变施加到焊缝及其附近的一个矩形区域。

事实上，只要固有应变的总和及偏心距保持不变，也可以采用其他的施加方式。例如：将固有应变沿板厚方向以线性分布的方式施加到弧形区域，同样可以得到和上述施加方式相近的结果。

根据上述焊接变形的控制方法，下面以某车型动车组列车的侧墙窗口模块为例进行说明：

第一步，获取固有应变

侧墙作为动车组车体总成的关键大部件之一，其装配质量不仅影响着车体外观，同时也影响着列车的运营性能。动车组的侧墙是由蒙皮骨架结构组成，而骨架则是由多个窗口模块通过窗间纵梁焊装连接而成，因此侧墙的制造质量很大程度上依赖于窗口模块的装配精度。窗口模块由折弯乙型梁在工装上组装焊接而成，由于窗口处需要安装玻璃，所以窗口的高度和宽度需要保证一定的精度，其名义值分别为1022mm和1272mm，在装配完成后需要对窗口的高度和宽度进行测量，实际生产中分别选择三处测量高度和宽度。

侧墙窗口模块的焊接工艺规程中共有三种焊接接头，分别建立三种接头的模型，并进行网格离散化处理。为了得到侧墙窗口模块整体的焊后变形情况，首先需要分析其每种焊接接头焊后的固有应变大小和分布规律，三种焊接接头对应的焊接工艺参数已知，通过计算或实验得出三种焊接接头的焊后横向和纵向固有应变。

第二步，施加固有应变模拟焊接变形，得到焊接接头的焊接变形

在Abaqus软件中，固有应变不能直接作为载荷赋予焊缝及其附近的单元，需要将固有应变转化为各向异性的热膨胀系数实现整体模型的变形计算。

根据焊接工艺先焊接窗口四周的焊缝，然后再焊接窗上和窗下焊缝的顺序施焊，焊接顺序主要是通过在Abaqus软件中创建多个分析步来实现的，将求得的固有应变作为初始应变转换为相应方向上的热膨胀系数，施加于对应的焊缝附近区域，通过加载温度载荷进行一次弹性有限元计算，便可得到窗口模块焊后的整体变形结果。

第三步，根据工艺公差要求设置反变形

侧墙窗口模块的零件公差主要有侧柱和纵梁长度、宽度、高度的尺寸公差，侧柱和纵梁的直线度、垂直度、平面度等形位公差，而定位偏差则主要来自工装的平面度误差。根据工艺公差要求设置关键特征点，在相应焊接胎位施加反变形特征点的公差波动。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种焊接变形的控制方法，其特征在于，包括：

获取焊接接头的固有应变；

在所述焊接接头的焊缝施加所述固有应变；

对所述焊接接头的焊接进行仿真模拟，得到所述焊接接头的焊接变形；

设置用于控制产生所述焊接变形的反变形。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过以下公式计算获取焊接接头的固有应变，其中：

W_x＝KQ (1)；

W_y＝ζQ (2)；

上式中，W_x为沿焊接截面的纵向固有应变，W_y为沿焊接截面的横向固有应变，K为纵向固有应变系数；ζ为横向固有应变系数，Q为焊接线能量。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，通过实验法对计算得到的所述固有应变进行修正。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述纵向固有应变系数K为：

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述横向固有应变系数ζ为：

上式中，α为热膨胀系数，c为比热容，ρ为密度。

6.根据权利要求1-5任一项所述的控制方法，其特征在于，采用Abaqus软件对所述焊接接头的焊接进行仿真模拟。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在所述焊接接头的焊缝施加所述固有应变，具体包括：

将横向固有应变和纵向固有应变转化为各向异性的热膨胀系数；

将所述热膨胀系数赋予焊缝及焊缝附近区域的材料；

对所述焊缝及焊缝附近区域的材料施加单位温度载荷。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述热膨胀系数采用以下公式计算获得：

上式中，α为热膨胀系数，W为焊缝截面的固有应变总和，F为固有应变施加区域的截面积，ΔT为单位温度载荷。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，设置用于控制产生所述焊接变形的反变形，具体包括：

根据工艺公差要求设置关键特征点；

在与所述关键特征点相对应的焊接胎位施加反变形的公差波动。

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