夹具时间对焊接件变形影响的实验与数值研究

A.R.Gharib1 F.R.Biglari1 M.Shafaie1 A.H.Kokabi2

摘要

研究了夹紧时间对焊接变形的影响。采用TIG焊方法在奥氏体不锈钢304L对接焊接头上进行了焊接工艺试验。采用商用有限元软件ABAQUS进行了数值热力分析。利用元件的生灭技术进行焊接模拟。本文采用的热源模型是Goldak双椭球模型。最后，为了验证数值计算结果，进行了一系列试验，并测量了焊接变形。实验测量数据与数值计算结果进行了比较。结果表明，夹紧引起弯曲方向和角度畸变的变化（与无夹紧方式相反）。夹紧时间的任何增加都相对地导致角度和弯曲变形的减少。与热释放模式（焊接后立即松开）相比，冷释放模式（工件冷却至室温后松开）的角度和弯曲变形减少了70%。夹紧位置对减小畸变也有重要影响。如果夹紧位置移近焊缝，变形减小。通过减小相对夹紧距离60～20 mm，角变形减小到0.15 mm，约为25%，弯曲变形达到0.6 mm（40%）。实验中，当板宽减小时，角变形和弯曲变形增大。值得注意的是，实验测量结果与数值计算结果吻合较好，误差在可接受范围内。

关键词 夹紧 角度和弯曲变形 有限元模拟 焊接

1简介

如今，焊接是金属接头中最常用的方法之一。高速和可接受的强度是这种方法的一些优点。与其他连接方法类似，焊接也有一些必须考虑的缺点。焊接变形是最重要、最敏感的焊接缺陷之一。焊接过程引起焊接结构的变形和变形。这种变形不仅会引起尺寸问题，而且会在装配过程中产生许多问题。

本文采用有限元方法对焊接过程进行模拟，以预测和减小焊接过程中产生的变形。本研究选用奥氏体不锈钢304L及对接焊接接头。研究了角变形和弯曲变形。为了减少和控制变形，人们研究了不同的方法，如夹紧、夹紧时间和夹紧距离。此外，为了验证数值结果，还进行了一些实验测试。

1.1减少扭曲的方法

减少焊接变形的最简单方法是使用尽可能少的焊接能量。可以通过提高焊接速度、减小焊接金属体积或降低工艺功率等方法降低输入能量。然而，通常导致屈曲的临界输入能量小于MIG.Long等方法产生的能量。

1. 通过数值模拟研究了薄板对接接头的残余应力和焊接变形，并与试验结果进行了比较。Long等人。得出输入能量和板厚对变形有直接影响的结论[3]。

考虑了焊接过程中结构约束（夹紧）对残余应力和变形分布的影响。焊接变形最重要的决定因素一般与焊接能量和外部约束有关。Roeren（2006）研究了夹具距焊缝的距离（夹紧位置）和夹紧时间（夹紧释放时间）对焊接变形的影响。图1显示了从焊缝到不同夹紧位置的研究结果。如图所示，通过减少夹紧位置到焊缝，变形减小。在上述研究中，还通过数值分析研究了锁模时间，并通过实验进行了验证。结果表明，如果夹具放置在热影响区之外，夹紧时间将不会如此有效[4]。

这一结果与Schenk等人的结果相矛盾。（2008年）。Schenk等人。证明了夹紧时间对焊接残余变形有显著影响[5]。还有刘等人。（2009）用MIG焊接方法对6 mm薄板的角变形显示了相同的结果。根据这一结果，通过增加夹紧力，减小了角变形。但它不可能降为零，所以在试件中总是存在一些角变形[6]。

阿比德等人。（2005）研究了低碳钢管对接MIG焊中夹持位置对焊接变形的影响。研究了公称直径为100 mm、壁厚为6 mm、V形槽的钢管。研究结果表明，采用旋转约束可以显著降低管法兰接头焊接过程中的横向收缩[7]。 Sidian等人。（2010）研究了夹紧对板材对接接头变形和残余应力的影响[8]。研究结果表明，夹紧和释放时间对残余应力和角变形有显著影响。试样温度达到室温后，夹具的释放大大减小了角变形。

另外，Shank等人。（2010）研究了夹紧支撑距离（底板）与焊缝之间的距离对焊接变形的影响[9]。在两种约束条件下进行了试验，并与有限元模型进行了比较。结果表明，通过减小底部支撑与焊缝之间的距离，可以减小弯曲变形和角变形。此外，通过在焊接前对试样施加初始变形，焊接变形显著减小。

Ma等人。（2015）研究了“夹具约束”对焊接变形的影响。他们的研究结果表明，当跳汰机位置和节距值较小时，会减少更多的角变形[10]。Kim等人。（2015）研究了在冷却阶段施加在板表面的正常外部约束。结果表明，外法向约束能有效地减小对焊或角焊板的角变形[11]。Liang等人。（2018）采用数值模拟技术研究了外部约束对薄板焊接结构焊接变形的影响。结果表明，外部约束能有效地抑制扭转变形[12]。Zhang等人。（2019）研究了高强度低合金钢厚板多道T形接头的角变形和焊接残余应力。结果表明，结构约束法可以使T型接头的角变形减小73%，而预置法通过设置适当的初始预置几乎可以完全消除角变形[13]。

2焊接过程模拟

在有限元法中，有两种已知的和分离的求解热力学分析的技术：耦合和非耦合。耦合法一步完成焊接分析。在热应力分析中，不需要将机械模拟和热模拟分开，两者可以同时进行。另一方面，非耦合方法分两步解决焊接分析问题。作为热解的第一次分析的结果被用作计算应力重分布的第二次分析的输入[14]。本文采用非耦合方法。

2.2.1机械性能

高温的变化会引起材料性能的非线性行为。屈服应力、泊松比、杨氏模量、加工硬化和热膨胀系数等力学性能将影响焊接过程热弹塑性分析的结果[16]。

2.2.2力学分析中的主方程

力学分析中的主方程包括平衡方程和基本方程。

（5）

（6）

其中sigma;是应力张量，b是体积力。方程（6）表明应力张量是对称的。在基本方程中，根据von Mises屈服准则考虑材料模型，并采用各向同性应变硬化

（7）

（8）

在这个方程中，[De]是弹性刚度矩阵，[Dp]是塑性刚度矩阵，[Cth]是热刚度矩阵。由于热弹塑性分析是非线性的，在有限元分析中采用了全牛顿-拉斐逊法求解。

2.3模拟

本文采用ABAQUS V6.14进行了焊接过程的数值模拟，采用三维实体单元C3D8R对焊接过程进行了三维建模，并将热分析结果作为力学分析的输入数据。在力学分析中，要求节点位移和最终坐标，并最终将其结果与实验数据进行比较[18]。

2.3.1热模拟

热模拟是通过编写输入文件来实现的。选择了热加载方式作为传热过程。采用单元生死法对焊缝进行建模。首先，通过“模型更改”和“删除”命令禁用焊接元素，然后在接下来的步骤中，通过“模型更改”和“添加”命令依次激活焊接元素。材料的热性能与温度有关。热性能见表1。

5结论

模拟结果和对减少焊接变形有效参数的研究表明：

夹紧的作用改变了弯曲和角变形的方向，与无夹紧方式相反，这是由于施加在板表面的夹紧力所致。

与热释放模式（立即松开）相比，冷释放模式（工件冷却至室温后松开）的角度和弯曲变形减少了70%。（焊接后）将夹紧位置封闭在焊缝上；减少变形。

相对夹紧距离从60减小到20 mm时，角变形减小约0.15 mm（25%），弯曲变形减小约0.6 mm（40%），弯曲量和角变形量无明显变化，热释放模式的显著变化比没有夹紧，甚至在某些情况下，它们的数量增加，只有它们的方向改变。

具有受控修复能力的状态监测，用于修复焊接服务的过程自动化

摘要

如今，补焊服务大多是手工进行的。这就产生了焊接工艺条件的重复性差和由此产生的焊接质量问题。日常工作中多采用试错法。为了克服这项业务中的技术和技术问题，打算在补焊领域引进先进但专门定制的生产技术。本文提出了一种新的补焊自动化概念。特别强调了一种模块化结构方法，该方法包括状态监测、计算机辅助工艺规划和机械化和机器人化补焊应用的受控修复能力。

工业生产过程的生产率、质量和成本效益与机械零部件和工装的可靠性密切相关。为了在性能和产品质量方面保持高效率，许多应用程序都知道，由于磨损，生产机械和工具必须更换。这一点很明显，例如锻压模、刀具、航空发动机涡轮叶片、发电机和风扇、钻井工具、轧机气缸等。

在许多应用中，现在正在更换的磨损部件和工具都被确定为废料。其结果是每年因磨损和腐蚀而损失数十亿美元。因此，为了降低这些成本，应特别考虑通过使用特殊维修服务来恢复磨损部件，以延长其寿命周期。按照这种方法，可以预期效益，例如改善经济、节省宝贵的原材料资源和减少环境负荷。

尽管在维修服务领域，工业潜力可能被认为是很高的，但业务非常有限，维修只专注于少量选择的wom机械零件和工具。这在补焊领域尤为明显。

由于缺乏具有受控补焊能力的先进生产技术以及机械化或自动化焊接方法，恢复服务完全由人工焊工提供。这就产生了焊接工艺条件重复性差和焊接质量不足等问题。因此，即使是大公司也不得不采取或多或少的“试错法”来恢复焊接过程，只有特定的焊工才能 有助于最大限度地减少“试错”修改时间。由于这种情况，以合理的成本提供补焊服务，因此，足够的质量和可靠的响应速度往往值得怀疑。这妨碍了业务的扩展。为了克服这些问题，最近制定了一个概念性战略，即如何将先进技术和过程自动化引入焊接修复服务领域，以提高可重复性和可控修复能力。

本工程项目的初步成果将在以下章节中介绍。特别注重模具的修复。它们应用于各种成形工艺中，值得修复以延长其使用寿命。

由于模具在不同形状和体积的生产过程中应用的多样性，过程自动化策略必须考虑使用的最高灵活性。因此，提出了一种将磨损状态监测、计算机辅助工艺规划、离线编程、仿真和机器人焊接集成到一个封闭的工艺链中的模块化结构方法，如图1所示。

这种基于所涉及的进程数量的连续数据流的方法的好处是显而易见的。它将允许：

准确确定磨损位置和磨损量，以便为维修策略规划提供帮助

为过程规划和控制行动中的决策支持提供专家知识

引入先进的过程控制工具和集成的人机交互选项

使用机器人或机械焊接，以确保在确定的热输入和消光下精确沉积材料。

搅拌摩擦焊：工艺、自动化与控制

B、 T.Gibsona，lowast;，D.H.Lammleinb，T.J.Prater c，W.R.Longhurst D，c.D.Coxa，M.c.Balluna，K.J.Dharmaraj a，G.E.Cooka，a.M.Strauss a

1.3工具设计

刀具设计是最重要的考虑因素之一，设计FSWjoining工艺时。工具必须执行许多操作功能，包括产生热量、促进混合、破坏接合线、分散氧化层、产生锻造压力、在接合处容纳材料，从而防止表面焊接闪光，并防止形成（形成冲击）缺陷，如虫洞、薄板变薄或挂钩缺陷。此外，刀具几何形状通常必须有助于稳定的力或扭矩控制方案，并与一系列插入深度相适应。 最早的设计包括一个扁平的，没有特色的肩膀圆柱形的，也许是螺纹的，探针。一些最初的设计创新是由Thomas等人开发的。在TWI[11]。这些创新旨在增加界面氧化层的破裂和增加TMAZ的宽度，特别是在搭接焊中。这项工作产生的设计是扩口TrifluteTM工具和倾斜StirTM工具，它们通过增加动态体积的离轴探针促进混合[11]。起源于TWI的其他工具设计包括TrivexTM和MX TrivexTM工具，这两种工具可以减少工艺力，并且制造起来相对容易[12]。

基于实例推理的焊接夹具计算机辅助设计方法

王晖*，Yiming（Kevin）Rong

3.3夹具设计实例信息表示的多级数据抽象

抽象是一个忽略特定或偶然的事物，同时强调一般和本质的过程。一般来说，夹具设计方案可以看作是一些抽象对象和这些对象之间关系的综合。这些对象（即工件、夹具计划和夹具单元）表示与生产相关的数据集群，而这些尺寸、位置、方向等关系反映了设计师技术知识的利用。在图4中，说明了这种从工业案例到基于对象关系模型的数据库的数据抽象方法的思想。一个对象还可以分解成许多子对象，其中包含更简单和更具体的技术信息。这种思想最终将导致夹具设计解决方案中数据对象的层次结构。为了将该方法形式化并处理大量潜在的数据对象，我们开发了一个对象语义词典来描述这些数据对象及其之间的关系。

四 结论

基于实例的设计方法在工业夹具设计应用中具有显著的技术和商业优势。在设计方案表示（信息建模）和基于实例推理（CBR）的计算机辅助夹具设计中的突破，将使传统夹具设计取得革命性的进展。通过对近年来夹具设计研究成果的研究，提出了基于CBR的夹具设计方法，为基于CBR的夹具设计知识应用的更深入、更广泛的探索铺平了道路。借助于高效的信息获取和分析方法，所提出的夹具设计方法可以在以往的设计案例搜索和案例自适应中取得良好的效果。尽管在进一步的实际应用中也需要对其进行测试和改进，但夹具设计信息的数据抽象和多层CBRs方法的思想已经通过大量的实例验证。在此基础上，开发了一个基于实例推理的计算机辅助夹具设计系统，作为夹具设计的顾问和评价者，通过寻找和重用相关的成功案例来帮助夹具设计人员。

此外，一些深

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