提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法技术

本发明专利技术涉及一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，属于焊接技术领域。包括以下步骤：模型建立、热力学模拟熔池形状、拟合焊枪角度与焊缝形状尺寸的关系、力学模拟焊根处应力强度因子、拟合焊缝形状尺寸与焊根应力强度因子关系、选择焊枪角度、对实际试件进行焊接。该搭接角焊缝T型接头焊接方法具有保证焊接质量、有效避免焊根处焊接缺陷、提高构件力学性能及疲劳性能的优点。学性能及疲劳性能的优点。学性能及疲劳性能的优点。

【技术实现步骤摘要】
提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法


[0001]本专利技术涉及焊接
，具体涉及一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法。

技术介绍

[0002]搭接角焊缝T型接头(即T形接头搭接化)是一种由带有一定角度弯边的L形板与局部平板或曲面板搭接焊成的较为复杂的工程结构。在工作受载时搭接角焊缝T型接头表现出T 形接头的特点，但从接头形式上看该接头属于搭接接头。这一结构目前常出现在钢制组装式车轮轮辐轮辋的断续合成焊缝中，车轮运行中承受复杂的动态径向载荷、周向载荷和侧向载荷等，其中径向载荷是引起疲劳开裂的主要原因。该结构当前主要采用的焊接方法为使用埋弧焊或者气保焊对其进行单道焊接，该种焊接方法下的焊缝容易出现焊根形状缺陷，并且在该结构的焊根及焊趾处存在较大应力集中，存在焊接残余应力。焊根处的较大应力集中及焊接残余应力在径向疲劳拉伸过程中更容易导致结构的疲劳破坏。
[0003]目前，有限元技术已经在各种工程领域得到广泛运用。有限元模拟方法通过将模型进行划分再对划分后的有限小单元进行计算，给很多实际试验提供了理论支持。在焊接
，有限元技术可以被用于计算焊接的残余应力及焊接变形等。但当函数不连续时，比如有裂纹出现的情况，在有限元模拟中需对有奇异性的裂纹尖端区域进行进一步细化处理。有限元方法在处理结构裂纹处由于网格细化及网格节点间的数据映射问题时效率较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，解决了现有技术存在的焊根处应力集中导致疲劳性能下降的问题，有效避免了焊根处焊接缺陷，减小焊根缺口处的应力集中，在焊根处引入了强化机制，提高了焊缝的有效连接面积，增大了力臂，从焊缝组织及焊缝形状两个方面提高了焊接构件的性能。本专利技术结合有限元分析对搭接角焊缝T型接头结构进行焊接工艺方法的改进，优化其焊缝形状尺寸，减小焊缝应力集中，改善焊缝组织性能，进而提高该接头结构的疲劳性能。
[0005]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、在有限元模拟软件中按照实际试件的规格进行整体模型建立，对模型进行网格划分、材料赋予及约束与加载条件的施加；
[0008]步骤S2、通过有限元模拟软件的热力学模拟功能对模型进行体热源的施加，编写子程序改变焊接角度对一至多道焊缝的熔池形状进行模拟；
[0009]步骤S3、测量不同焊接角度α下第x道焊缝的两板间连接长度L1
(α，x)
及远离两板方向的焊缝连接长度L2
(α，x)
。
[0010]步骤S4、在数值拟合软件中分别对两板间连接长度L1
(α，x)
与角度α，焊缝连接长度
L2 (α，x)
与角度α的关系进行拟合，获得α与L1、L2的关系式；
[0011]步骤S5、结合试验及模拟结果找出结构受载时的危险点，对不同角度焊接的构件的危险点进行应力强度因子的计算；
[0012]步骤S6、在数值拟合软件中对两板间连接长度L1
(α，x)
，焊缝连接长度L2
(α，x)
与应力强度因子K的关系进行拟合，获得K与L1、L2的关系式；
[0013]步骤S7、结合α与L1、L2的关系式及K与L1、L2的关系式可得到焊接角度α与应力强度因子K的关系式；
[0014]步骤S8、根据焊接角度α与应力强度因子K的关系式及实际设备情况选择焊接角度，采用自动化焊接系统对实际试件进行焊接。
[0015]基于上述，步骤S1中所述网格划分，在所述焊缝区域进行网格细化，有利于对所述熔池形状模拟及所述力学模拟的精度提升。
[0016]基于上述，步骤S2中所述编写子程序改变焊接角度，对热源局部坐标进行旋转变换，旋转变换公式为：
[0017][0018]式中，x，y为原热源横纵坐标，α为焊接角度。
[0019]步骤S2中所述一至多道焊缝，第一道打底焊选择高能密度焊，第二至N道焊接选择熔化焊的焊接方法。
[0020]步骤S2中所述体热源采用双椭球热源模型，双椭球热源模型计算公式为：
[0021][0022][0023]Q＝η
×
U
×
I
[0024]式中，Q为焊接有效热输入；qf、qr为前、后半椭球体热流分布；ar、af、bh、ch分别为前后半椭球的两个半轴长；ff、fr为前后半椭球体能量分配系数；η为转换效率。
[0025]步骤S2所述双椭球热源模型计算公式中的参数a
r
、a
f
、b
h
、c
h
及f
f
、η由查阅相关资料及实际试验对比获得。
[0026]步骤S3中所述焊接角度α在每道焊接过程中可选取不同值。
[0027]步骤S5中所述不同角度焊接的构件模型选取所述两板间连接长度L1
(α，x)
及所述远离两板方向的焊缝连接长度L2
(α，x)
的最大值进行搭建。
[0028]步骤S5中所述焊缝最终连接长度L等于L1
(α，x)
max与L2
(α，x)
max之和。
[0029]步骤S5中应力强度因子与疲劳裂纹扩展速率的关系表达式为：
[0030][0031]式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率；C和m为材料常数；ΔK为应力强度因子。
[0032]即应力强度因子大小可说明疲劳裂纹扩展速率的大小，应力强度因子减小，疲劳裂纹扩展速率减小，疲劳断裂扩展越不易。
[0033]基于上述步骤S8中所述的对实际试件进行焊接时，通过夹具使搭接角焊缝T形接
头采用船型焊或平角焊位置焊接，以保证所述焊缝的质量。
[0034]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，首先采用了多层、角度可改变焊接，用至少一层的打底焊方法控制了焊缝根部形状，有效避免了焊缝处焊接缺陷，减小焊根缺口处的应力集中，并为后期表面强化处理提供可能，为下一道焊缝的焊根引入了强化机制。本专利技术在焊接过程中结合热力学模拟及力学拉伸通过对焊接角度的调整，找出角度与应力强度因子的关系，并做出每道焊缝的合理角度选择，优化了焊缝形状尺寸，增加了焊缝有效连接面积，增加了构件受到弯矩时的力臂，从而力矩增大，提高构件的力学性能。本专利技术结合有限元方法从改善焊缝组织和改变焊缝形状两个方面提高了搭接角焊缝T型接头疲劳性能。
附图说明
[0035]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0036]图1为本专利技术的搭接角焊缝T型接头焊接夹具及焊接角度α示意图；
[0037]图2为本专利技术的搭接角焊缝T型接头结构一个实施例在有限元模拟软件中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1、在有限元模拟软件中按照实际试件的规格进行整体模型建立，对模型进行网格划分、材料赋予及约束与加载条件的施加；步骤S2、通过有限元模拟软件的热力学模拟功能对模型进行体热源的施加，编写子程序改变焊接角度对一至多道焊缝的熔池形状进行模拟；步骤S3、测量不同焊接角度α下第x道焊缝的两板间连接长度L1
(α，x)
及远离两板方向的焊缝连接长度L2
(α，x)
；步骤S4、在数值拟合软件中分别对两板间连接长度L1
(α，x)
与角度α，焊缝连接长度L2
(α，x)
与角度α的关系进行拟合，获得α与L1、L2的关系式；步骤S5、结合试验及模拟结果找出结构受载时的危险点，对不同角度焊接的构件的危险点进行应力强度因子的计算；步骤S6、在数值拟合软件中对两板间连接长度L1
(α，x)
，焊缝连接长度L2
(α，x)
与应力强度因子K的关系进行拟合，获得K与L1、L2的关系式；步骤S7、结合α与L1、L2的关系式及K与L1、L2的关系式可得到焊接角度α与应力强度因子K的关系式；步骤S8、根据焊接角度α与应力强度因子K的关系式及实际设备情况选择焊接角度，采用自动化焊接系统对实际试件进行焊接。2.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S1中所述的网格划分是：在焊缝区域进行网格细化，有利于对熔池形状模拟及力学模拟的精度提升。3.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头疲劳性能的焊接方法，其特征在于：步骤S2中所述的编写子程序改变焊接角度是：对热源局部坐标进行旋转变换，旋转变换公式为：式中，x，y为原热源横纵坐标，α为焊接角度。4.根据权利要求1所述的提高搭接角焊缝T型接头...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐国成，金歌，徐德生，赵小辉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：