一种薄板焊接变形的模型建构及其矫平方法技术

本发明专利技术公开了一种薄板焊接变形的模型建构及其矫平方法，根据所需矫平的薄板材质获得材料属性，采集现场的焊接工艺参数；根据相应数据与固有应变理论建立焊接形变数学模型，并通过实际取样对此模型进行修正；根据模型输出判断焊接形变类型，并布置相应的矫平加热线；应用电磁感应加热方法根据加热线位置对变形工件进行矫平；矫平后测量工件的平整度，再根据实际要求判断是否达标，如果不达标则进一步矫平，直至矫平达标。本发明专利技术在实际数据基础上建立焊接形变数学模型，能精准识别焊接形变情况并作出合理的矫平加热线，矫平过程无污染，可靠高效。可靠高效。可靠高效。

【技术实现步骤摘要】
一种薄板焊接变形的模型建构及其矫平方法


[0001]本专利技术属于薄板焊接变形矫平
，涉及一种薄板焊接变形的模型建构及其矫平方法。

技术介绍

[0002]目前，在船舶及海洋工程结构中大量采用焊接工艺对各个分段和板件进行加工，金属材料在焊接过程中，焊缝及其附近区域会因外部的热输入以及受到周围温度较低金属的约束，而产生塑性应变、热应变和相应变等现象，冷却后的残余应变会导致最终的残余应力与变形。这不仅会影响生产工艺流程的正常进行，而且会降低整体结构的承载能力，造成结构发生脆性破坏、压杆稳定承载力降低、构件尺寸和形状发生变化等后果。
[0003]在传统的人工火工矫平方法过程中，钢板受热面先被加热，而背面还是冷的，在板材厚度方向温度梯度较大，在冷却时受热面会产生较大的拉应力使钢板拉直。然而当矫正薄钢板时，热量很容易传递到钢板内。这时，加热区域内的筋板也容易被加热，坚硬的筋板就会产生热变形。由此，把钢板加热到目标温度时，需要更长的时间、燃烧更多的气体。此方法速度慢、效率低，同时在矫平过程会产生大量有毒气体，存在较大安全隐患。
[0004]因此，需要开发一种高效、方便运行的矫平方法，能够根据现场焊接情况判断薄板实际形变、并且合理地布置矫平加热线的有效矫正薄板焊接变形。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种薄板焊接变形的模型建构及其矫平方法，首先建构薄板焊接变形模型，然后根据焊接形变模型来精确地判断薄板形变类型，合理布置电磁感应加热的矫平加热线并对矫平效果进行修正，从而有效地提高矫平效率、节约资源，减少现场由于矫平加热导致的安全隐患。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]本专利技术的一种薄板焊接变形的模型建构方法，利用固有应变法获得焊接变形模型，包括以下步骤：
[0008]步骤M1.根据现场需要矫平的薄板材质获得相应的材料属性，包括弹性模量、薄板厚度、屈服应力、热膨胀系数；
[0009]步骤M2.了解现场焊接工艺相关数据，室温、焊接时最高温度、焊接速度，冷却过程中温度最大变化值、焊缝的横剖面积；
[0010]步骤M3.根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值；
[0011]步骤M4.将焊接过程中压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变:
[0012]步骤M5.将所得固有应变进行积分，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型。
[0013]所述步骤M3中，根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值的步骤包括：
[0014]焊接包括两个过程：热源对焊件的加热、热源离开后焊件的冷却；在整个过程中焊件内部的总应变包括弹性应变、塑性应变、热应变和金属相变，如下式表达
[0015]ε＝ε
e
+ε
p
+ε
t
+ε
x
ꢀꢀ
(1)而在焊接过程中固有应变也称之为非弹性应变，即
[0016]ε
*
＝ε
‑
ε
e
＝ε
p
+ε
t
+ε
x
ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]其中，ε代表总应变，ε
*
是非弹性应变，ε
e
是弹性应变，ε
p
是塑性应变，ε
t
是热应变，ε
x
是金属相变；
[0018]焊接结束后，焊件恢复到室温，此时热应变可以看作为零；在忽略金属相变的前提条件下，残余的塑性应变就等于固有应变，即
[0019]ε
*
＝ε
p
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]产生拉伸塑性形变，压缩塑性应变和拉伸塑性应变由下式计算，即
[0021]ε
p1
＝
‑
a(T
ma
x
‑
T0)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0022][0023]其中，ε
p1
是压缩塑性应变，ε
p2
是拉伸塑性应变，a为热膨胀系数，T
max
为加热过程所能达到的最高温度，T0为初始温度，T
2max
为冷却过程中的温度最大变化值，σ
y
为屈服应力，E为弹性模量，A为焊缝的横剖面积，L为固有应变的宽度，k
z
为焊件的弹性系数。
[0024]所述步骤M4中，将焊接过程中压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变，用下式表示：
[0025][0026]在式中T
c
为塑性应变区的平均温度之差；
[0027]焊接的横、纵向固有应变值由下式计算，即
[0028][0029][0030]在式中为横固有应变，为纵向固有应变，T
cx
为塑性应变区的横向平均温度之差，T
cy
为塑性应变区的纵向平均温度之差。
[0031]所述的步骤M5包括以下过程：
[0032]用一组焊接变形的数值来表征整个焊缝的焊接变形数学模型；垂直于焊缝的截面的焊接变形数学模型包含横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形四个部分，可以通过固有应变进行积分计算，最后通过现场多次取样实验对所得模型进行修正，具体焊接变形数学模型如下：
[0033][0034][0035][0036][0037]在式中，x为垂直焊缝方向，y厚度方向和z焊缝方向，h为板材厚度，c、d、f、g分别为横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形的补偿系数。
[0038]本专利技术的一种薄板焊接变形的矫平方法，包括以下步骤：
[0039]步骤一、建构薄板焊接变形模型：了解矫平工件材料相关属性以及现场焊接工艺相关参数，根据所得的数据与相关公式求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值，并将值相加得到工件最终的固有应变，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型；
[0040]步骤二、根据所得焊接变形数学模型判断焊接后的变形是属于角变形和纵向弯曲的波浪变形中哪一类，同时根据现场薄板实际情况进行合理的矫平加热线布置；
[0041]步骤三、利用金属本身的导磁作用，通过感应电流产生涡流效应，将钢板迅速加热，在钢板的厚度方向产生较大的温度梯度，快速冷却后收缩，以达到消除原有变形的目的，实现电磁感应加热矫平的效果；
[0042]步骤四、对矫平后的薄板进行平整度检测，判断是否需要进一步修正。
[0043]进一步地，在所述的步骤一中，建构薄板焊接变形模型，利用固有应变法获得焊接变形模型，包括：
[0044]步骤1.1.根据现场需要矫平的薄板材质获得相应的材料属性：弹性模量、薄板厚度、屈服应力、热膨胀系数；
[0045]步骤1.2.了解现场焊接工艺相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄板焊接变形的模型建构方法，其特征在于，利用固有应变法获得焊接变形模型，包括以下步骤：步骤M1.根据现场需要矫平的薄板材质获得相应的材料属性，包括弹性模量、薄板厚度、屈服应力、热膨胀系数；步骤M2.了解现场焊接工艺相关数据，室温、焊接时最高温度、焊接速度，冷却过程中温度最大变化值、焊缝的横剖面积；步骤M3.根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值；步骤M4.将焊接过程中压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变：步骤M5.将所得固有应变进行积分，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型。2.根据权利要求1所述的一种薄板焊接变形的模型建构方法，其特征在于，所述步骤M3中，根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值的步骤包括：焊接包括两个过程：热源对焊件的加热、热源离开后焊件的冷却；在整个过程中焊件内部的总应变包括弹性应变、塑性应变、热应变和金属相变，如下式表达ε＝ε
e
+ε
p
+ε
t
+ε
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)而在焊接过程中固有应变也称之为非弹性应变，即ε
*
＝ε
‑
ε
e
＝ε
p
+ε
t
+ε
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，ε代表总应变，ε
*
是非弹性应变，ε
e
是弹性应变，ε
p
是塑性应变，ε
t
是热应变，ε
x
是金属相变；焊接结束后，焊件恢复到室温，此时热应变可以看作为零；在忽略金属相变的前提条件下，残余的塑性应变就等于固有应变，即ε
*
＝ε
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)产生拉伸塑性形变，压缩塑性应变和拉伸塑性应变由下式计算，即ε
p1
＝
‑
α(T
max
‑
T0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，ε
p1
是压缩塑性应变，ε
p2
是拉伸塑性应变，a为热膨胀系数，T
max
为加热过程所能达到的最高温度，T0为初始温度，T
2max
为冷却过程中的温度最大变化值，σ
y
为屈服应力，E为弹性模量，A为焊缝的横剖面积，L为固有应变的宽度，k
z
为焊件的弹性系数。3.根据权利要求1所述的一种薄板焊接变形的模型建构方法，其特征在于，所述步骤M4中，将焊接过程中压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变，用下式表示：在式中T
c
为塑性应变区的平均温度之差；焊接的横、纵向固有应变值由下式计算，即
在式中为横固有应变，为纵向固有应变，T
cx
为塑性应变区的横向平均温度之差，T
cy
为塑性应变区的纵向平均温度之差。4.根据权利要求1所述的一种薄板焊接变形的模型建构方法，其特征在于，所述的步骤M5包括以下过程：用一组焊接变形的数值来表征整个焊缝的焊接变形数学模型；垂直于焊缝的截面的焊接变形数学模型包含横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形四个部分，可以通过固有应变进行积分计算，最后通过现场多次取样实验对所得模型进行修正，具体焊接变形数学模型如下：模型如下：模型如下：模型如下：在式中，x为垂直焊缝方向，y厚度方向和z焊缝方向，h为板材厚度，c、d、f、g分别为横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形的补偿系数。5.一种薄板焊接变形的矫平方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建构薄板焊接变形模型：了解矫平工件材料相关属性以及现场焊接工艺相关参数，根据所得的数据与相关公式求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值，并将值相加得到工件最终的固有应变，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型；步骤二、根据所得焊接变形数学模型判断焊接后的变形是属于角变形和纵向弯曲的波浪变形中哪一类，同时根据现场薄板实际情况进行合理的矫平加热线布置；步骤三、利用金属本身的导磁作用，通过感应电流产生涡流效应，将钢板迅速加热，在钢板的厚度方向产生较大的温度梯度，快速冷却后收缩，以达到消除原有变形的目的，实现电磁感应加热矫平的效果；步骤四、对矫平后的薄板进行平整度检测，判断是否需要进一步修正。6.根据权利要求5所述的一种薄板焊接变形...

【专利技术属性】
技术研发人员：许静，刘焱鑫，许杰，孙宁，任超凡，谷家扬，周吉，刘建峰，孙建志，
申请(专利权)人：江苏科技大学海洋装备研究院招商局金陵船舶江苏有限公司上海外高桥造船有限公司，
类型：发明
国别省市：